(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアインダクションモータを駆動源とし、前記リニアインダクションモータをＶＶＶＦインバータにより駆動する電気車の駆動制御装置において、前記リニアインダクションモータの１次電圧および１次電流に基づいて２次磁束軸を演算する２次磁束軸演算手段と、前記１次電流の、前記２次磁束軸に一致する励磁電流成分およびそれに直交するトルク電流成分を演算する電流成分演算手段と、トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、前記電流成分演算手段によって算出された前記トルク電流成分および励磁電流成分の比率が前記電流成分比率指令演算手段によって算出された前記トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値に一致するように前記リニアインダクションモータのすべり周波数を制御するすべり周波数制御手段とを備えたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、前記すべり周波数制御手段は、リニアインダクションモータのすべり周波数を所定値内に制限するリミッタ手段を含むことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項３】
電気車を駆動するリニアインダクションモータの２次磁束軸に一致する１次電流成分を励磁電流とし、それに直交する１次電流成分をトルク電流とし、前記励磁電流およびトルク電流がそれぞれ励磁電流指令およびトルク電流指令に一致するように励磁軸電圧指令およびトルク軸電圧指令を介してモータ１次電流を制御する電流制御手段と、前記励磁電流指令およびトルク電流指令から前記リニアインダクションモータのすべり周波数を演算するすべり周波数演算手段と、前記リニアインダクションモータのすべり周波数を制御する手段とを有するベクトル制御手段を備えた電気車の駆動制御装置において、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値と前記電流指令値とを入力として前記励磁電流指令およびトルク電流指令を演算する電流成分指令演算手段とを設けたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電気車の駆動制御装置において、前記励磁軸電圧指令、トルク軸電圧指令、励磁電流指令およびトルク電流指令に基づいて２次時定数を推定する２次時定数推定手段を備え、前記すべり周波数演算手段は、前記２次時定数推定手段により推定された２次時定数に応じてすべり周波数を演算することを特徴とすることを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電気車の駆動制御装置において、前記すべり周波数演算手段は、すべり周波数を所定値内に制限するリミッタ手段を含んでいることを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項６】
リニアインダクションモータを駆動源とし、前記リニアインダクションモータをＶＶＶＦインバータにより駆動する電気車の駆動制御装置において、前記リニアインダクションモータの１次電流を電流指令に一致するように制御する電流制御手段と、前記リニアインダクションモータの１次電圧および１次電流に基づいて２次磁束軸を演算する２次磁束軸演算手段と、前記１次電流の、前記２次磁束軸に一致する励磁電流成分およびそれに直交するトルク電流成分を演算する電流成分演算手段と、トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、前記トルク電流成分および励磁電流成分の比率が前記トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値に一致するように前記インバータの出力周波数を制御する手段とを備えたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項７】
電気車を駆動するリニアインダクションモータの２次磁束軸に一致する１次電流成分を励磁電流とし、それに直交する１次電流成分をトルク電流とし、前記励磁電流およびトルク電流がそれぞれ励磁電流指令およびトルク電流指令に一致するように励磁軸電圧指令およびトルク軸電圧指令を介してモータ１次電流を制御する電流制御手段を有するベクトル制御手段を備えた電気車の駆動制御装置において、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値と前記電流指令値とを入力として前記励磁電流指令およびトルク電流指令を演算する電流成分指令演算手段とを設けたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項８】
請求項１、３、６および７のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置において、前記電流成分比率指令演算手段は、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値を所定値内に制限するリミッタ手段を含むことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項９】
請求項１、３、６および７のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置において、前記電流成分比率指令演算手段は、前記トルク電流と励磁電流との比率の指令値を、車両速度、電流値、磁束量、ギャップ長および車両重量のうちの少なくとも１つの関数として演算することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気車の駆動制御装置において、前記電流成分比率指令演算手段は、前記トルク電流および励磁電流の比率の指令値を、電気車の特性試験から求めた最大推力を出力する動作点に設定することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアインダクションモータ（以下、「ＬＩＭ」ともいう）を駆動源とし、リニアインダクションモータをＶＶＶＦインバータにより駆動する電気車（以下、「ＬＩＭ電気車」ともいう）の駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここに、ＬＩＭ電気車とは、回転形の誘導電動機を駆動源とするのではなく、直進形のリニアインダクションモータ（ＬＩＭ）を駆動源として走行する電気車のことを意味している。ＬＩＭは、車上側のリニアコイルと地上のレール間に敷設される地上側のリアクションプレートとによって構成される。リニアコイルは、ＶＶＶＦインバータにより励磁される１次コイルとなり、リアクションプレートが２次コイルに相当する。なお、周知のごとく、ＶＶＶＦというのは、電圧と周波数の比率が所定値となるように周波数の変化に応じて電圧を変化させる制御方式のことであり、直接的には可変電圧・可変周波数の意味である。ＬＩＭ電気車の同一路線には、材質や形状の異なるリアクションプレートが敷設される場合がある。また、リニアコイルとリアクションプレートとの間のギャップ間隔が、乗車率に応じた車両重量や、リアクションプレートの敷設状態等により、一定には保たれない。これらが要因となり、電動機の特性が状況に応じて変動する。この特性変化は、ＬＩＭを駆動源とするＬＩＭ電気車の特徴でもある。
【０００３】
図１１は、従来のＬＩＭ電気車の駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。３相ＶＶＶＦインバータ１２の直流入力側に直流フィルタコンデンサ１１が接続されている。ＶＶＶＦインバータ１２の交流出力側には、ＬＩＭの１次コイル１４が接続される。車両重量は車輪１７によって支持されるが、通常の回転形電動機によって駆動される電気車とは異なり、車輪自体が推力を伝達するものではない。車軸には速度検出器１８が備えられ、車軸の回転周波数Ｎを検出する。ロータ周波数演算部２０では、車軸の回転周波数Ｎを入力とし、それをインバータ１１の電気角周波数ωＲに換算し出力する。
【０００４】
ＬＩＭ電気車の駆動制御系への制御入力は、相電流実効値の指令値Ｉｒｅｆと、すべり周波数指令値ωｓＲｅｆである。すべり周波数指令ωｓＲｅｆは、速度等の関数として予めパターン化されている。インバータ１１の出力相電流Ｉｕ，Ｉｗが電流検出器１３により検出され、実効値演算部４で、相電流の実効値Ｉ１が演算される。電流制御部５は、電流実効値Ｉ１を電流実効値の指令値Ｉｒｅｆに一致させるための電圧実効値指令Ｖ１Ｒｅｆを演算し、電圧指令演算部６へ送出する。すべり周波数指令ωｓＲｅｆは加算器２１にすべり周波数指令ωｓとして入力され、ここで、ロータ周波数演算部２０から出力されるロータ周波数ωＲとが加算され、その和がインバータ出力周波数指令ω１として出力される。この周波数指令ω１は積分器１０で積分され、各相電圧指令の位相基準θとなる。電圧指令演算部６は、位相基準θと電圧実効値指令Ｖ１Ｒｅｆとから、３相各相の電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆを演算し、ＰＷＭ制御部７へ送出する。ＰＷＭ制御部７は、各相電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆに基づき、インバータ１１を構成する各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。
【０００５】
ＬＩＭ電気車の場合、リアクションプレート１５の形状や材質あるいはリアクションプレート１５と１次コイル１４との間のギャップ長の変化に対して、特性すなわちモータの等価回路が変化する。これに起因し、一般的に定常的な推力変動が生じるため、所定の車両性能すなわち加減速度を維持することが困難である。また、一定電流で最大の推力動作点を得ることが望ましいが、その動作点が変化してしまい、常に最大の推力動作点を維持することは困難である。したがって、ＬＩＭが出力し得る最大推力値に対し余裕を持った動作点で性能設計をすることになり、ＬＩＭの性能を十分に活かした設計にはなっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、ＶＶＶＦインバータによって駆動されるＬＩＭを駆動源とするＬＩＭ電気車の駆動制御装置において、リアクションプレートの材質や形状の差異等に対して、推力の変動を抑制し、最大の推力動作点を維持し得るＬＩＭ電気車の駆動制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、リニアインダクションモータを駆動源とし、リニアインダクションモータをＶＶＶＦインバータにより駆動する電気車の駆動制御装置において、リニアインダクションモータの１次電圧および１次電流に基づいて２次磁束軸を演算する２次磁束軸演算手段と、１次電流の、２次磁束軸に一致する励磁電流成分およびそれに直交するトルク電流成分を演算する電流成分演算手段と、トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、電流成分演算手段によって算出されたトルク電流成分および励磁電流成分の比率が電流成分比率指令演算手段によって算出されたトルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値に一致するようにリニアインダクションモータのすべり周波数を制御するすべり周波数制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１に係る電気車の駆動制御装置によれば、電流値を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することにより、状況に応じて最大推力を得る動作点や、最大効率を得る動作点など任意な動作点での運転を実現することができる。また、リアクションプレートの材質や形状の差異により、２次時定数が変化する場合、すべり周波数を一定とすると、相電流実効値が一定であっても、トルク電流と励磁電流との比率が変化し、推力が変動する。特に、推力が最大となるトルク電流と励磁電流との比率の動作点で動作している場合、２次時定数の変化により、最大推力の動作点を維持できず、推力が低下する場合がある。トルク電流と励磁電流との比率を一定に制御することにより、リアクションプレートの材質や形状の差異に起因した２次時定数の変化に対して、推力変化の小さな特性を得ることができる。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、すべり周波数制御手段は、リニアインダクションモータのすべり周波数を所定値内に制限するリミッタ手段を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に係る電気車の駆動制御装置によれば、すべり周波数をリミッタ部で制限することにより、所定の範囲内にすべり周波数が存在するように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次リニアコイルと２次リアクションプレートの間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。すべり周波数制御部により、過小なすべり周波数基準が生成される場合、これを制限することにより、過大な吸引力が作用する事態を抑制することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、電気車を駆動するリニアインダクションモータの２次磁束軸に一致する１次電流成分を励磁電流とし、それに直交する１次電流成分をトルク電流とし、励磁電流およびトルク電流がそれぞれ励磁電流指令およびトルク電流指令に一致するように励磁軸電圧指令およびトルク軸電圧指令を介してモータ１次電流を制御する電流制御手段と、励磁電流指令およびトルク電流指令からリニアインダクションモータのすべり周波数を演算するすべり周波数演算手段と、リニアインダクションモータのすべり周波数を制御する手段とを有するベクトル制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る電気車の駆動制御装置によれば、電流実効値を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することが可能である。ベクトル制御部では、励磁電流およびトルク電流を、それぞれの指令値に制御するため、励磁電流とトルク電流の比率の指令値を制御することは、励磁電流とトルク電流の比率を制御することと等価となる。本実施形態の構成により、これにより、状況に応じて最大推力を得る動作点や、最大効率を得る動作点など任意な動作点での運転を実現することができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電気車の駆動制御装置において、励磁軸電圧指令、トルク軸電圧指令、励磁電流指令およびトルク電流指令に基づいて２次時定数を推定する２次時定数推定手段を備え、すべり周波数演算手段は、２次時定数推定手段により推定された２次時定数に応じてすべり周波数を演算することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に係る電気車の駆動制御装置によれば、請求項３の発明と同様な作用を得ることができる。また、リアクションプレートの材質や形状の差異により、２次時定数が変化する場合、２次時定数の誤差を修正し、正確なトルク電流と励磁電流を把握するとともに、常時トルク電流と励磁電流との比率を一定に制御することにより、リアクションプレートの材質や形状の差異に起因した２次時定数の変化に対して、推力の変化が小さな特性を得ることが可能である。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の電気車の駆動制御装置において、すべり周波数演算手段は、すべり周波数を所定値内に制限するリミッタ手段を含んでいることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に係る電気車の駆動制御装置によれば、すべり周波数をリミッタ部で制限することにより、所定の範囲内にすべり周波数が存在するように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次リニアコイルと２次リアクションプレートの間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。トルク電流と励磁電流の比率の指令値に依存して、すべり周波数が変化する。すべり周波数を所定値の中に制限することにより、過大な吸引力が作用することを抑制することが可能である。
【００１７】
請求項６に係る発明は、リニアインダクションモータを駆動源とし、リニアインダクションモータをＶＶＶＦインバータにより駆動する電気車の駆動制御装置において、リニアインダクションモータの１次電流を電流指令に一致するように制御する電流制御手段と、リニアインダクションモータの１次電圧および１次電流に基づいて２次磁束軸を演算する２次磁束軸演算手段と、１次電流の、２次磁束軸に一致する励磁電流成分およびそれに直交するトルク電流成分を演算する電流成分演算手段と、トルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、トルク電流成分および励磁電流成分の比率がトルク電流成分および励磁電流成分の比率の指令値に一致するようにインバータの出力周波数を制御する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６に係る電気車の駆動制御装置によれば、電流実効値を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することができる。これにより、第１実施形態と同様な作用を得ることができる。さらに、速度検出器を用いずに、制御できることから、コスト低減や、保守性の向上、あるいは、速度検出系に重畳するノイズ等の影響により、制御系への影響を低減することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、電気車を駆動するリニアインダクションモータの２次磁束軸に一致する１次電流成分を励磁電流とし、それに直交する１次電流成分をトルク電流とし、励磁電流およびトルク電流がそれぞれ励磁電流指令およびトルク電流指令に一致するように励磁軸電圧指令およびトルク軸電圧指令を介してモータ１次電流を制御する電流制御手段を有するベクトル制御手段を備えた電気車の駆動制御装置において、電流指令値を演算する電流指令演算手段と、トルク電流および励磁電流の比率の指令値を演算する電流成分比率指令演算手段と、トルク電流および励磁電流の比率の指令値と電流指令値とを入力として励磁電流指令およびトルク電流指令を演算する電流成分指令演算手段とを設けたことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項７に係る電気車の駆動制御装置によれば、電流実効値を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することができる。これにより、第１実施形態と同様な作用を得ることができる。さらに、速度検出器を用いずに、制御できることから、コスト低減や、保守性の向上、あるいは、速度検出系に重畳するノイズ等の影響により、制御系への影響を低減することが可能になる。また、従来の回転形誘導電動機に対する速度センサレスベクトル制御の制御ブロックを流用するものであり、アルゴリズムの修正が小さく、実績や経験を活かした信頼性の高いシステムを容易に構築することができる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、請求項１、３、６および７のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置において、電流成分比率指令演算手段は、トルク電流および励磁電流の比率の指令値を所定値内に制限するリミッタ手段を含むことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項８に係る電気車の駆動制御装置によれば、励磁電流とトルク電流の比率の指令値をリミッタ部で制限することにより、所定の範囲内に励磁電流とトルク電流の比率が存在するように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次リニアコイルと２次リアクションプレートの間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。すべり周波数が小さいことは、トルク電流に対する励磁電流の比率が小さいことと等価であり、励磁電流とトルク電流との比率を制限することにより、過大な吸引力が作用することを抑制することが可能である。特に、速度検出器が存在しない構成では、すべり周波数を直接制限することができないため、吸引力の抑制が困難である。本実施形態では、速度検出器を用いない構成のもとでも、同様な作用効果を得ることができる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項１、３、６および７のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置において、電流成分比率指令演算手段は、トルク電流と励磁電流との比率の指令値を、車両速度、電流値、磁束量、ギャップ長および車両重量のうちの少なくとも１つの関数として演算することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項９に係る電気車の駆動制御装置によれば、トルク電流と励磁電流の比率の指令値を、速度、電流値、磁束量、ギャップ長、応荷重などの状態量の関数として与えることにより、ＬＩＭ特性の変化に応じた最適なトルク電流と励磁電流の比率の指令値を設定することができる。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の電気車の駆動制御装置において、電流成分比率指令演算手段は、トルク電流および励磁電流の比率の指令値を、電気車の特性試験から求めた最大推力を出力する動作点に設定することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１０に係る電気車の駆動制御装置によれば、最大の推力動作点を得るように、速度、電流値、磁束量、ギャップ長、応荷重などの状態量の関数として、励磁電流とトルク電流との比率の指令値を与える。リアクションプレートの材質や形状の変化により、２次時定数が変化しても、トルク電流と励磁電流との比率を一定に制御することにより、推力の変化を抑制することができる。したがって、最大推力の動作点を維持し続けることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
＜実施形態１＞
図１は、請求項１および請求項２に係る発明の実施形態を示すブロック図である。３相ＶＶＶＦインバータ１２の直流入力側に直流フィルタコンデンサ１１が接続され、交流出力側には、ＬＩＭ電気車の駆動源であるＬＩＭの１次コイル１４が接続されている。ＬＩＭは、車上側の１次コイル１４と、地上に敷設される２次コイルであるリアクションプレート１５とから構成される。車両重量は車輪１７で支持される。車輪１７の車軸には速度検出器１８が備えられ、車軸の回転周波数Ｎ［ｒｐｍ］が検出される。この回転周波数Ｎを入力とし、ロータ周波数演算部２０が車軸の電気角周波数ωＲ［ｒａｄ／ｓ］を次式に従って演算出力する。
【００２９】
【数１】
0003840030.tif 000002
ここに、τ：ポールピッチ［ｍ］、Ｄ：車輪直径［ｍ］である。
【００３０】
ＬＩＭ電気車の駆動制御系への制御入力は、電流指令演算部２８で演算された相電流実効値に対する電流指令Ｉｒｅｆと、電流成分比率指令演算部２９で演算されたトルク電流対励磁電流の比率の指令すなわち電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆとである。インバータ１１の出力相電流Ｉｕ，Ｉｗが電流検出器１３により検出された相電流Ｉｕ，Ｉｗと、後述の３相電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆとから２次磁束軸演算部２６により、例えば、（２）式〜（６）式に基づいて２次磁束の位相角θＦを演算する。（２）〜（５）式は２次誘起電圧を演算するものである。２次誘起電圧は定常的に２次磁束に対し、進み９０度の関係にあることから、ここではＵ相軸に対する２次磁束の位相角θＦを求めるものとしている。
【００３１】
【数２】
0003840030.tif 000003
ここに、Ｌ２はＬＩＭの２次インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、Ｌ１は１次インダクタンス、σは漏れ係数（＝１−Ｍ×Ｍ／Ｌ１／Ｌ２）、ｓはラプラス演算子である。また、ＵＶＷ軸静止座標系、ａｂ軸静止座標系、ｄｑ軸回転座標系の相互関係を、図２に示す。ｕ軸とａ軸は一致している。ｄ軸は、本実施形態では、２次磁束に一致するように設定され、ａ軸からの角度はθＦとなる。
【００３２】
検出されたＵ相電流ＩｕおよびＷ相電流Ｉｗ、並びに位相角θＦを入力として、電流成分演算部８は、検出電流Ｉｕ，Ｉｗを２次磁束軸（ｄ軸）に一致する電流成分たる励磁電流Ｉｄと、それに直交する電流成分たるトルク電流Ｉｑとに次式により変換する。
【００３３】
【数３】
0003840030.tif 000004
【００３４】
このトルク電流Ｉｑおよび励磁電流Ｉｄは実効値演算部２７で次式により実効値Ｉ１に変換され、電流制御部５に入力される。
【００３５】
【数４】
0003840030.tif 000005
【００３６】
電流制御部５は、電流実効値Ｉ１を、電流指令演算部２８で算出された電流指令Ｉｒｅｆに一致させるための電圧指令Ｖ１Ｒｅｆを演算し、電圧指令演算部６へ送出する。電圧指令演算部６は、入力された電圧指令Ｖ１Ｒｅｆと後述の位相基準θとから、３相各相の電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆを次式に従って演算し、ＰＷＭ制御部７へ送出する。
【００３７】
【数５】
0003840030.tif 000006
【００３８】
ＰＷＭ制御部７は、各相電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆに基づき、インバータ１１を構成する各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。
【００３９】
他方、電流成分演算部８で求められたトルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄとの比率すなわち電流成分比率ＫＩｄｑ（＝Ｉｑ／Ｉｄ）を除算器２２によって求め、これを減算器２３において、電流成分比率指令演算部２９からの電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆから減算し、その差すなわち電流成分比率偏差ΔＫＩｄｑ（＝ＫＩｄｑＲｅｆ−ＫＩｄｑ）をすべり周波数制御部３０に入力する。すべり周波数制御部３０はその入力値からを次式に従って演算する。
【００４０】
【数６】
0003840030.tif 000007
ここに、ｓはラプラス演算子、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲインである。
【００４１】
すべり周波数基準ωｓ＊にリミッタ部３１で所定のしきい値でリミットをかけてすべり周波数指令ωｓとする。なお、リミッタ部３１は請求項２に係る発明の対応部分であって、次のロジックによりすべり周波数基準ωｓ＊を所定の範囲内に制限する。
【００４２】
【数７】
0003840030.tif 000008
ここで、ωｓＵは所定の上限値、ωｓＬは所定の下限値である。
【００４３】
ロータ周波数演算部２０によって算出された電気角周波数ωＲとリミッタ部３１を通して得られたすべり周波数指令ωｓとの和に相当する周波数指令ω１（＝ωＲ＋ωｓ）が加算器２１で求められ、この周波数指令ω１は積分器１０で積分されて、各相電圧指令に対する位相基準θが生成され、電圧指令演算部６に送出される。
【００４４】
以上の構成により、相電流実効値を一定に維持しながら、トルク電流Ｉｑおよび励磁電流Ｉｄの比率を制御することができる。リアクションプレート１５の材質や形状の差異により、ＬＩＭの２次時定数が変化する場合、すべり周波数を一定とすると、たとえ相電流実効値Ｉ１が一定であったとしても、トルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄとの比率が変化し、推力が変動する。特に、推力が最大となるトルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄとの比率の動作点で動作している場合、２次時定数の変化により、最大推力の動作点を維持することができず、推力が低下する場合がある。トルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄとの比率を一定に制御することにより、リアクションプレート１５の材質や形状の差異に起因した２次時定数の変化に対して、推力の変化が小さな特性を得ることが可能になる。これにより、加減速度の変化が一定になり、車両性能を一定に保証することができる。
【００４５】
また、すべり周波数ωｓをリミッタ部３１で制限することにより、所定の範囲内にすべり周波数が存在するように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次コイル１４と２次リアクションプレート１５との間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。すべり周波数制御部３０により、過小なすべり周波数基準ωｓ＊が生成される場合、これをリミッタ部３１で制限することにより、過大な吸引力が作用する事態を抑制することができる。さらに、過度な吸引力の増長による車両およびリアクションプレート１５の機械的疲労および破損を抑制することができる。
【００４６】
＜実施形態２＞
図３は、請求項３に係る発明の実施形態を示すブロック図である。ここでは、実施形態１と異なる部分を重点的に説明する。
【００４７】
この実施形態においては、電流指令演算部２８で生成された電流指令Ｉｒｅｆ、および電流成分比率指令演算部２９で生成された電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆは、共に電流成分指令演算部３２に入力され、ここで次式に従って励磁電流指令ＩｄＲｅｆおよびトルク電流指令ＩｑＲｅｆをそれぞれ演算する。ただし、ここでは車両が前進力行状態にあることを仮定している。
【００４８】
【数８】
0003840030.tif 000009
【００４９】
算出された励磁電流指令ＩｄＲｅｆおよびトルク電流指令ＩｑＲｅｆはベクトル制御部４４へと入力される。ベクトル制御部４４は、電流制御部４５、ｄｑ／３相変換部４６、すべり周波数演算部４７、電流成分演算部４８、加算器２１、および積分器１０から構成されている。本実施形態におけるベクトル制御部４４は、すべり周波数形ベクトル制御方式として周知の制御方式に従って構成される。電流検出器１３により検出されたＬＩＭの相電流Ｉｕ，Ｉｗは、電流成分演算部４８において、次式に従って励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑとに変換される。
【００５０】
【数９】
0003840030.tif 000010
【００５１】
電流制御部４５は、電流成分指令演算部３２から入力された励磁電流指令ＩｄＲｅｆおよびトルク電流指令ＩｑＲｅｆと、電流成分演算部４８から入力された励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑに基づいて、励磁電流Ｉｄが励磁電流指令ＩｄＲｅｆに一致し、かつトルク電流Ｉｑがトルク電流指令ＩｑＲｅｆに一致するようにｄｑ軸座標系上のｄ軸電圧指令すなわち励磁軸電圧指令ＶｄＲｅｆおよびｑ軸電圧指令すなわちトルク軸電圧指令ＶｑＲｅｆを演算し出力する。ｄｑ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ，ＶｑＲｅｆは、ｄｑ／３相変換部４６へ入力され、ここで、（１５）式および（１６）式により３相電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆが生成される。
【００５２】
【数１０】
0003840030.tif 000011
【００５３】
すべり周波数演算部４７は、電流成分指令演算部３２で生成された励磁電流指令ＩｄＲｅｆおよびトルク電流指令ＩｑＲｅｆに基づいて、次式に従ってすべり周波数ωｓを演算する。
【００５４】
【数１１】
0003840030.tif 000012
ここに、Ｔ２はＬＩＭの２次時定数である。
【００５５】
加算器２１は、ロータ周波数演算部２０の出力であるロータ角周波数ωＲと、すべり周波数演算部４７の出力であるすべり周波数ωｓとを加算し、周波数指令ω１（＝ωＲ＋ωｓ）を出力する。周波数指令ω１は、積分器１０に入力される。積分器１０は周波数指令ω１を積分することにより、磁束軸（ｄ軸）の位相基準θｄｑを求める。ｄ軸の位相基準θｄｑは、ｄｑ／３相変換部４６および電流成分演算部４８に入力され、それぞれの座標変換に用いられる。
【００５６】
ベクトル制御部４４の出力である３相電圧指令ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆに従い、ＰＷＭ制御部７を介してインバータ１２の出力電流が制御される。
【００５７】
以上の構成により、電流実効値Ｉ１を一定に維持しながら、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの比率を制御することが可能である。ベクトル制御部４４は、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを、それぞれの指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに一致させるように制御するため、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの比率の指令値に応じてトルク電流指令ＩｑＲｅｆおよび励磁電流指令ＩｄＲｅｆを制御することは、励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの比率を制御することと等価となる。これにより、状況に応じて最大推力を得る動作点や、最大効率を得る動作点など任意な動作点での運転を実現することができる。また、本実施形態の構成は、従来の回転形誘導電動機に対するベクトル制御の制御ブロックを転用して実現することが可能であり、その場合、アルゴリズムの修正は僅かで済み、従来の実績や経験を活かした信頼性の高い制御システムを容易に構築することができる。
【００５８】
＜実施形態３＞
図４は、請求項４に係る発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は図３に示す実施形態と比べ、ＬＩＭの２次時定数を推定する２次時定数推定部４２を新たに設け、それに関連して、若干異なる構成のすべり周波数基準演算部４９としたことが相違点であり、他は同一である。
【００５９】
２次時定数推定部４２は、電流制御部５の出力であるｄ軸（励磁軸）電圧指令ＶｄＲｅｆおよびｑ軸（トルク軸）電圧指令ＶｑＲｅｆ、並びに電流成分演算部４８の出力である励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑとを入力し、次式に従い、励磁軸誘起電圧Ｅｄを演算する。
【００６０】
【数１２】
0003840030.tif 000013
ここに、Ｌ２はＬＩＭの２次インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、Ｌ１は１次インダクタンス、σは漏れ係数（＝１−Ｍ×Ｍ／Ｌ１／Ｌ２）、ｓはラプラス演算子である。
【００６１】
ＬＩＭの２次時定数Ｔ２が正確に把握されている場合、（１７）式に示すすべり周波数ωｓを与えることにより、制御上のｄ軸（励磁軸）と実際の２次磁束とが一致する。この場合、誘起電圧はｑ軸（トルク軸）方向に発生するため、ｄ軸（励磁軸）誘起電圧Ｅｄは発生しない。（１８）式により演算されたｄ軸（励磁軸）誘起電圧が０（ゼロ）でない場合は、２次時定数Ｔ２が正確に把握されていないと判断することができる。よって、次式のように、ｄ軸（励磁軸）誘起電圧がゼロとなるように、２次時定数Ｔ２を補正することにより、２次時定数を推定することができる。
【００６２】
【数１３】
0003840030.tif 000014
ここに、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子を表す。
【００６３】
すべり周波数演算部４９は、励磁電流指令ＩｄＲｅｆおよびトルク電流指令ＩｑＲｅｆ、並びに２次時定数推定部４２で推定された２次時定数推定値Ｔ２を入力とし、２次時定数推定値Ｔ２に応じて、次式に従ってすべり周波数指令ωｓを演算する。
【００６４】
【数１４】
0003840030.tif 000015
【００６５】
以上の構成により、実施形態２と同様な作用効果を得ることができる。また、リアクションプレート１５の材質や形状の差異により、２次時定数Ｔ２が変化する場合、すべり周波数を一定とすると、相電流実効値Ｉ１が一定であっても、実際のトルク電流Ｉｑおよび励磁電流Ｉｄの比率が変化し、推力が変動する。特に、推力が最大となるトルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄの比率の動作点で動作している場合、２次時定数の変化により、最大推力の動作点を維持できず、推力が低下する場合がある。２次時定数の誤差を修正し、正確なトルク電流Ｉｑと励磁電流Ｉｄを把握するとともに、常時トルク電流と励磁電流との比率を一定に制御することにより、リアクションプレート１５の材質や形状の差異に起因した２次時定数の変化に対して、推力の変化が小さな特性を得ることが可能である。これにより、加減速度の変化が一定になり、車両性能を一定に保証することができる。
【００６６】
＜実施形態４＞
図５は、請求項５に係る発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態はベクトル制御部４４に含まれるすべり周波数演算部４９の内部構成に係わるものであり、他の部分は省略して説明する。
【００６７】
この実施形態におけるすべり周波数演算部４９は、すべり周波数基準演算部５０およびリミッタ部５１からなっている。すべり周波数基準演算部５０は、次式によりすべり周波数基準ωｓ＊を演算する。
【００６８】
【数１５】
0003840030.tif 000016
ここに、Ｔ２はＬＩＭの２次時定数である。
【００６９】
演算されたすべり周波数基準ωｓ＊は、リミッタ部５１へ入力される。リミッタ部５１は入力されたすべり周波数基準ωｓ＊を次のロジックにより所定範囲内の値に制限し、すべり周波数ωｓとして出力する。
【００７０】
【数１６】
0003840030.tif 000017
ここに、ωｓＵは所定の上限値、ωｓＬは所定の下限値である。
【００７１】
以上の構成に従い、すべり周波数基準ωｓ＊ををリミッタ部で所定範囲内に制限することにより、すべり周波数が所定範囲内に存在するように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次リニアコイル１４と２次リアクションプレート１５の間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。本実施形態では、トルク電流と励磁電流の比率の指令値に依存して、すべり周波数が変化する。すべり周波数を所定値の中に制限することにより、過大な吸引力が作用することを抑制し、それにより、過度な吸引力の増長による車両およびリアクションプレートの機械的疲労および破損を抑制することができる。
【００７２】
＜実施形態５＞
図６は、請求項６に係る発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、実施形態１に対する変形例に相当し、実施形態１に比べ、インバータ１２の出力周波数の生成に関わる部分が異なるものであるため、その部分を中心として説明し、他の部分は省略して説明する。図６の駆動制御装置には、速度検出器１８、ロータ周波数演算部２０、および加算器２１は設けられていない。
【００７３】
電流成分比率指令演算部２９により生成された電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆに対する実際の電流成分比率ＫＩｄｑの電流成分比率偏差（＝ＫＩｄｑＲｅｆ−ＫＩｄｑ）が減算器２３で求められ、出力周波数制御部３７に入力される。出力周波数制御部３７は、入力された電流成分比率偏差をゼロにするような周波数指令ω１を制御演算する。周波数指令ω１は、積分器１０を介して位相θに変換され、電圧指令演算部６に送出される。
【００７４】
以上の構成により、電流実効値Ｉ１を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することができる。これにより、実施形態１と同様な作用効果を得ることができる。さらに、速度検出器を用いずに制御できることから、コスト低減や、保守性の向上、あるいは、速度検出系に重畳するノイズ等による制御系への悪影響を低減することができる。
【００７５】
＜実施形態６＞
図７は、請求項７に係る発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、実施形態２（図３）と比べ、ベクトル制御部５２を一部変形したものである。このベクトル制御部５２は、速度センサを用いずにベクトル制御を行う速度センサレスベクトル制御部としたところが特徴であり、その代わり、誘起電圧演算部４１を設けると共に、周波数指令ω１を演算する出力周波数制御部５３を設けている。誘起電圧演算部４１は、電流制御部５で求められたｄｑ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ，ＶｑＲｅｆ、および検出電流Ｉｕ，Ｉｗを入力として、ｄ軸誘起電圧Ｅｄおよびｑ軸誘起電圧Ｅｑを（２３）〜（２６）式のようにして演算する。
【００７６】
【数１７】
0003840030.tif 000018
ここに、Ｌ２はＬＩＭの２次インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、Ｌ１は１次インダクタンス、σは漏れ係数（＝１−Ｍ×Ｍ／Ｌ１／Ｌ２）、ｓはラプラス演算子である。
【００７７】
出力周波数制御部５３は、算出されたｄ軸誘起電圧Ｅｄおよびｑ軸誘起電圧Ｅｑに基づいて、次式により周波数指令ω１を演算する。
【００７８】
【数１８】
0003840030.tif 000019
ここに、φ２＊は２次磁束基準、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子を表す。
【００７９】
以上の構成により、電流実効値Ｉ１を一定に維持しながら、励磁電流とトルク電流との比率を制御することが可能となり、実施形態１と同様な作用効果を得ることができる。さらに、速度検出器を用いずに制御できることから、コスト低減や、保守性の向上、あるいは、速度検出系に重畳するノイズ等の影響による制御系への悪影響を低減することが可能になる。また、本実施形態は、従来の回転形誘導電動機に対する速度センサレスベクトル制御の制御ブロックを流用して実現可能であり、その場合、アルゴリズムの修正が少なく、従来の実績や経験を活かした信頼性の高いシステムを容易に構築することができる。速度センサレスベクトル制御には種々の方式が提案されており、本発明は実施形態として具体的に示した構成に限定されるものではない。
【００８０】
＜実施形態７＞
図８は、請求項８に係る発明の実施形態を示すブロック図である。本実施形態は、各実施形態における電流成分比率指令演算部２９の内部構成に関するものである。
【００８１】
この実施形態における電流成分比率指令演算部２９は、電流成分比率基準演算部３３およびリミッタ部３４から構成されている。電流成分比率基準演算部３３は、トルク電流対励磁電流の比率を表す電流成分比率基準ＫＩｄｑＲｅｆ＊を出力し、これに対し、リミッタ部３４は、次のロジックに従って、所定の範囲に制限し、電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆとして出力する。
【００８２】
【数１９】
0003840030.tif 000020
ここで、ＫＩｄｑＲｅｆＵは所定の上限値、ＫＩｄｑＲｅｆＬは所定の下限値である。
【００８３】
以上の構成により、電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆをリミッタ部３４で制限された値に制限し、励磁電流とトルク電流の比率が所定の範囲内に収まるように保証することができる。ＬＩＭの場合、１次リニアコイル１４と２次リアクションプレート１５の間に吸引力が作用するが、すべり周波数が小さくなると、吸引力が大きくなることが知られている。すべり周波数が小さいことは、トルク電流に対する励磁電流の比率が小さいことと等価と考えられる。よって、励磁電流とトルク電流の比率を制限することにより、過大な吸引力が作用することを抑制することが可能である。特に、実施形態５や実施形態６に示すような、速度検出器が存在しない構成のものでは、すべり周波数を直接制限することができないため、吸引力の抑制が困難である。本実施形態では、速度検出器を用いない構成にもかかわらず、それが存在するものと同様な作用効果を得ることができる。
【００８４】
＜実施形態８＞
図９は、請求項９および請求項１０に係る発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は図３に実施形態２として示した実施形態を基本とするものである。この実施形態では、ロータ周波数演算部２０から出力されるロータ周波数ωＲが、電流成分比率指令演算部２９へ入力される。電流成分比率指令演算部２９は、ロータ周波数ωＲの関数ｆとして、トルク電流／励磁電流の指令値すなわち電流成分比率指令ＫＩｄｑＲｅｆを生成する。
【００８５】
【数２０】
0003840030.tif 000021
ここに、関数ｆの形は特別なものに限定されるものではない。
【００８６】
この実施形態のポイントは、関数ｆを、各ロータ周波数ωＲにおいて、最大の推力を得るトルク電流／励磁電流の動作点に選定することにある。例えば、トルク電流／励磁電流をパラメータとして、各ロータ周波数、図示の例ではωＲの値を、１５、４５、および７５［ｒａｄ／ｓ］で推力特性試験を実施し、図１０に示すような特性曲線を得たとする。トルク電流／励磁電流の指令値は、各速度で最大推力となるように、次式のように設定する。
【００８７】
【数２１】
0003840030.tif 000022
【００８８】
以上の構成により、各ロータ周波数において、最大の推力動作点を得るように、ロータ周波数ωＲの関数として、励磁電流とトルク電流との比率の指令値を与えることが可能である。リアクションプレート１５の材質や形状の変化により、２次時定数Ｔ２が変化しても、トルク電流と励磁電流との比率を一定に制御することにより、推力の変化を抑制することができる、したがって、最大推力の動作点を維持し続けることができる。これにより、車両性能を向上させ、高加減速運転を実現することができる。また、同一の車両性能を得るための平均電流値を低減できることから、発熱や損失を抑制することができ、機器の小型・軽量化を達成することができる。
【００８９】
本実施形態では、励磁電流とトルク電流の比率の指令値を車両速度すなわちロータ周波数ωＲに応じた関数とする場合を示したが、これを、電流値や、磁束量、ギャップ長、応荷重すなわち車両の重量などの関数とする場合であっても、同様の作用効果を達成することができる。また、励磁電流とトルク電流との比率の指令値を、速度や、電流値、磁束量、ギャップ長、車両荷重などの状態量のうち、いずれか１つの関数とするのではなく、２つ以上の状態量の関数とすることもできる。この場合、より広い動作点において、最大推力点を維持することができ、車両性能をより向上させ、高加減速運転をすることができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＶＶＶＦインバータで駆動されるリニアインダクションモータ（ＬＩＭ）を駆動源とするＬＩＭ電気車の駆動制御装置において、リアクションプレートの材質や形状の差異等に対して、推力の変動を抑制し、常に最大推力の近傍の値を出力するＬＩＭ電気車の駆動制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１および請求項２に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図２】図１における複数の座標系の相互関係を説明するための説明図。
【図３】請求項３に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図４】請求項４に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図５】請求項５に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図６】請求項６に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図７】請求項７に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図８】請求項８に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図９】請求項９に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図１０】請求項１０に係る発明の実施形態によるＬＩＭ電気車の推力特性を説明するための特性線図。
【図１１】従来技術によるＬＩＭ電気車の駆動制御装置のブロック図。
【符号の説明】
４  実効値演算部
５  電流制御部
６  電圧指令演算部
７  ＰＷＭ制御部
８  電流成分演算部
１０  積分器
１１  直流フィルタコンデンサ
１２  インバータ
１３  電流検出部
１４  １次コイル
１５  リアクションプレート
１６  レール
１７  車輪
１８  速度検出部
２０  ロータ周波数演算部
２１  加算器
２２  除算器
２３  減算器
２６  ２次磁束軸演算部
２７  実効値演算部
２８  電流指令演算部
２９  電流成分比率指令演算部
３０  すべり周波数制御部
３１  リミッタ部
３２  電流成分指令演算部
３３  電流成分比率基準演算部
３４  リミッタ部
３７  出力周波数制御部
４１  誘起電圧演算部
４２  ２次時定数推定部
４４  ベクトル制御部
４５  電流制御部
４６  ｄｑ／３相変換部
４７  すべり周波数演算部
４８  電流成分演算部
４９  すべり周波数演算部
５０  すべり周波数基準演算部
５１  リミッタ部
５２  ベクトル制御部
５３  出力周波数制御部
【図１】
0003840030.tif 000023
【図２】
0003840030.tif 000024
【図３】
0003840030.tif 000025
【図４】
0003840030.tif 000026
【図５】
0003840030.tif 000027
【図６】
0003840030.tif 000028
【図７】
0003840030.tif 000029
【図８】
0003840030.tif 000030
【図９】
0003840030.tif 000031
【図１０】
0003840030.tif 000032
【図１１】
0003840030.tif 000033