(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、前記インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値の偏差に基づいて第１の加速度指令を発生する手段と、前記第１の加速度指令に基づいて前記回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
前記インバータの運転開始時に前記ベクトル制御手段に与える前記トルク電流指令は前記励磁電流指令より所定時間遅らせる手段と、
前記インバータの運転開始時に動作させて予め定めた立ち上げ所定値の第２の加速度指令を発する初期速度確立手段と、
当該初期速度確立手段は、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令及び前記トルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき前記第２の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、
前記インバータの運転開始時には、前記回転周波数指令を発生する手段における前記第１の加速度指令に前記初期速度確立手段から出力される前記第２の加速度指令を加算する手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御車両の制御装置。
【請求項２】
車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、前記インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値の偏差に基づいて第１の加速度指令を発生する手段と、前記第１の加速度指令に基づいて前記回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
前記インバータの運転停止時に動作させて予め定めた立ち下げ所定値の第３の加速度指令を発する初期速度確立手段と、
当該初期速度確立手段は、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令及び前記トルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき前記第３の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、
前記インバータの運転停止時には、前記回転周波数指令を発生する手段における前記第１の加速度指令に前記初期速度確立手段から出力される前記第３の加速度指令を加算する手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御車両の制御装置に係り、特にインバータで制御する誘導電動機の回転周波数を直接的に検出せずに（速度センサレス）インバータをベクトル制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両駆動用誘導電動機をインバータで駆動するインバータ制御車両で、インバータの出力電圧Ｖと出力周波数Ｆの比（Ｖ／Ｆ）を制御する方式（以下、Ｖ／Ｆ制御方式と称す）において、基本的には誘導電動機の回転周波数を用いずに、つまり速度センサレスで、インバータの出力周波数指令を作成する方式が、特開平8−80082号（特願平6−208357 号）公報「電気車の制御装置」に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の公報には、Ｖ／Ｆ制御方式において、速度センサレスでインバータ出力周波数指令を作成する方式が主として記載されているが、ベクトル制御方式においても適用できることも可能であると補足的に記載されている。しかし、いずれにしても、インバータ運転開始時のインバータ出力周波数指令の初期値設定には、誘導電動機の回転周波数をセンサで検出した値に基づいて行うことから、完全な速度センサレスの制御方式とは言えない。
【０００４】
本発明の目的は、インバータ制御車両の制御装置において、ベクトル制御方式を行う上で必要であった電動機の速度センサを一切排除することにあり、これにより構成の簡素化および耐環境性の向上を図ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、トルク電流指令とトルク電流検出値の偏差に基づいて第１の加速度指令を発生する手段と、第１の加速度指令に基づいて回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
インバータの運転開始時にベクトル制御手段に与えるトルク電流指令は励磁電流指令より所定時間遅らせる手段と、インバータの運転開始時に動作させて予め定めた立ち上げ所定値の第２の加速度指令を発する初期速度確立手段と、当該初期速度確立手段は、励磁電流指令とトルク電流指令及びトルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき第２の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、インバータの運転開始時には、回転周波数指令を発生する手段における第１の加速度指令に初期速度確立手段から出力される第２の加速度指令を加算する手段とを備える。
また、インバータの運転停止時に動作させて予め定めた立ち下げ所定値の第３の加速度指令を発する初期速度確立手段と、当該初期速度確立手段は、励磁電流指令とトルク電流指令及びトルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき第３の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、インバータの運転停止時には、回転周波数指令を発生する手段における第１の加速度指令に初期速度確立手段から出力される第３の加速度指令を加算する手段とを備える。
【０００６】
本発明の構成によれば、誘導電動機の回転周波数指令は、インバータの運転開始時には主に第２の加速度指令に基づいて、またインバータの通常運転時には第１の加速度指令に基づいて作成される。すなわち、誘導電動機の回転周波数指令は完全に速度センサレスで作成される。そして、第１の加速度指令は、インバータ出力電流のトルク電流成分がトルク電流指令となるように制御され、トルク電流指令に対応したものとなるので、車両はトルク電流指令相当のトルクで加速される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例を示すインバータ制御車両の制御装置の構成である。１は直流架線、２は架線１から供給される直流電力を３相交流電力に変換するＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ、３はインバータ２で駆動される車両駆動用誘導電動機である。４はインバータ２の出力電流のトルク電流成分及び励磁電流成分のトルク電流指令Ｉqp及び励磁電流指令Ｉdpを発生する手段で、インバータの運転開始時にはトルク電流指令Ｉqpは励磁電流指令Ｉdpより所定時間だけ遅れて発生させる。５１はインバータ２の３相の出力電流の瞬時値検出器（図中ではこの検出器を簡略して１相分しかつけていないが２相又は３相分設ける）で、この電流検出値を５２のｄｑ座標変換器でトルク電流成分Ｉｑに変換する。
【０００８】
６は、トルク電流指令Ｉqpからトルク電流検出値Ｉｑを減算器６１で減算し、その電流偏差に基づいて、電流制御器６２により、誘導電動機３の回転加速度の指令αｃ（以下、第１の加速度指令αｃと称す）を発生する手段である。
【０００９】
７は、誘導電動機３の回転周波数指令Ｆrcを発生する手段である。この手段では、第１の加速度指令αｃと後述する初期速度確立手段８の出力の加速度指令αｏを加算器７１で加算し、その加算結果を積分演算器７２で積分演算して、回転周波数指令Ｆrcを出力する。
【００１０】
８は初期速度確立手段で、インバータの運転開始および停止時に加速度指令の初期値として所定値αｏを発生する。この手段における詳細な構成は後述図２を用いて説明する
９はベクトル制御手段である。この手段では、トルク電流指令Ｉqpと励磁電流指令Ｉdp及び回転周波数指令Ｆrcを受けて、インバータ２の出力周波数指令Ｆinとインバータ２の出力電圧指令Ｖｍ及びこのＶｍの位相指令θを出力する。
【００１１】
１０はＰＷＭ制御手段である。この手段では、インバータ２の出力周波数指令Ｆinとインバータ２の出力電圧指令Ｖｍ及びこのＶｍの位相指令θを受けて、インバータ２を構成するスイッチング素子（図示していない）が所定の動作を行うような信号を出力する。
【００１２】
図２は、上記初期速度確立手段８における機能，構成を詳述したもので、インバータ運転開始時と停止時では初期値の与える加速度指令αｏの出力に違いを有する。
【００１３】
まず、インバータ運転開始時における制御構成について説明する。立ち上げ加速度器８１ａは、予め定めた所定値の第２の加速度指令αouを発生する。トルク電流検出値判別器８１ｃは、絶対値器８１ｂにより検出したトルク電流成分Ｉｑの絶対値を求め、その絶対値と所定値Ｉqrとを比較し、Ｉｑ＜Ｉqrの時に１を、Ｉｑ≧Ｉqrの時に０を出力する。トルク電流指令判別器８１ｄは、トルク電流指令Ｉqpを受けて、Ｉqp＝０の時に１を、Ｉqp≠０の時に０を出力する。励磁電流指令判別器８１ｆは、励磁電流指令Ｉdpを受けて、インバータ２の運転／停止を判断し、Ｉdp＞０つまりインバータ運転時に１を、Ｉdp＝０つまりインバータ停止時に０を出力する。そして、トルク電流検出値判別器８１ｃとトルク電流指令判別器８１ｄと励磁電流指令判別器８１ｆの出力を乗算器８１ｅで乗算し、さらにその乗算結果と第２の加速度指令αouを乗算器８１ｇで乗算する。
【００１４】
すなわち、インバータ運転開始時において立ち上げ加速度器からの指令αouが、加速度指令の初期値αｏとして出力される条件は、励磁電流指令Ｉdp＞０，トルク電流指令Ｉqp＝０，トルク電流成分検出値Ｉｑの絶対値が所定値以下という３者のＡＮＤ条件で決定される。また、その設定された初期値は上記３者のうちいずれかでも条件が満足されなかったとき解除されることになる。
【００１５】
次に、インバータ運転停止時における制御構成について説明する。立ち下げ加速度器８２ａは予め定めた所定値の第３の加速度指令αodを発生する。回転周波数指令判別器８２ｂは、回転周波数指令Ｆrcを受けて、Ｆrc≦０の時に０を、
Ｆrc＞０の時に１を出力する。励磁電流指令判別器８２ｃは、励磁電流指令Ｉdpを受けて、インバータ２の運転／停止を判断し、Ｉdp＞０つまりインバータ運転時に０を、Ｉdp＝０つまりインバータ停止時に１を出力する。そして、第３の加速度指令αodと回転周波数指令判別器８２ｂの出力と励磁電流指令判別器８２ｃの出力を乗算器８２ｄで乗算する。さらに、この乗算器８２ｄと乗算器８１ｇの出力を加算器８３で加算して、加速度指令αｏを出力する。
【００１６】
すなわち、インバータ運転停止時において立ち下げ加速度器からの指令αodが、加速度指令の初期値αｏとして出力される条件は、回転周波数指令Ｆrc＞０と励磁電流指令Ｉdp＝０のＡＮＤ条件で決定される。また、その設定された初期値は上記２者のうちいずれかでも条件が満足されなかったとき解除されることになる。
【００１７】
図３及び図４は、図１，図２における本発明の実施例における基本動作の説明図である。図３は、インバータ２の運転開始時における誘導電動機３の回転周波数Ｆｒの初期値が低速の場合（Ｂ−１）と高速の場合（Ｂ−２）について示す。図３（Ａ）は、インバータ２の運転開始時にはトルク電流指令Ｉqpは励磁電流指令Ｉdpより所定時間tqs 遅らせて立ち上げることを示している。
【００１８】
インバータ２が運転開始すると、初期速度確立手段８の乗算器８２ｄの出力は０で、乗算器８１ｅの出力は１となり、第２の加速度指令αouが加速度指令αｏとして出力される。回転周波数指令Ｆrcは、積分演算回路７２より加速度指令αｏを積分した値となるので増加し、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒが低速の場合、その回転周波数指令Ｆrcは、図３の（Ｂ−１）のように増加して直ちに誘導電動機３の回転周波数Ｆｒより大きく、つまりすべり周波数が大きくなり、これに応じてトルク電流Ｉｑ（検出値）も増加する。そして、トルク電流Ｉｑ（検出値）が所定値Ｉqrより大きくなると（図３の時間ｔ＝ｔ１）、初期速度確立手段８のトルク電流検出値判別器８１ｃの出力が０となり、加速度指令αｏを０として回転周波数指令Ｆrcの増加を停止する。その後は、電流制御器６２によりトルク電流Ｉｑ（検出値）はトルク電流指令値Ｉqpとなるように第１の加速度指令αｃが出力され、その値を積分した回転周波数指令Ｆrcは図３の（Ｂ−１）のようになる。ここで回転周波数指令Ｆrcは、トルク電流指令Ｉqpが発生されるまでは減少するがＩqpの増加と共にＦrcは、電動機の実際の回転周波数Ｆｒに近づき、通常運転モードでは回転周波数指令Ｆrcは電流制御器６２の出力の第１の加速度指令αｃのみを積分した値が出力される。
【００１９】
また、インバータ２の運転開始時、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒの初期値が高速の場合、図３(Ｂ−２)のように加速度指令αｏにより回転周波数指令Ｆrcが増加していきＦｒに近づく。しかし、Ｆrc＜Ｆｒではすべり周波数が負になるため、トルク電流Ｉｑ（検出値）も負となり電流制御器６２からの加速度指令αｃも負となるので、Ｆrcはαｏよりαｃが減算された加速度指令を積分したものとなる。次に、トルク電流指令Ｉqpが時間tqs で立ち上げを開始すると、初期速度確立手段８のトルク電流指令判別器８１ｄの出力が０となり、加速度指令αｏも０となる。その後、定常状態まで、回転周波数指令Ｆrcは電流制御器６２により出力である第１の加速度指令αｃを積分した信号から生成され、Ｆrcは実際の回転周波数Ｆｒとなることがわかる。
【００２０】
これは、通常モードでは、第１の加速度指令αｃはトルク電流指令Ｉqpに対応したものとなり、車両はトルク電流指令Ｉqp相当のトルクで加速されるためである。
【００２１】
ところで、電気車の運転モードには、インバータ２を運転−停止−運転、すなわち力行−楕行−再力行を繰り返すものがある。図４は、そのモードにおけるインバータの制御状態量の動作波形を示す。図４（Ａ）は、トルク電流指令Ｉqpと励磁電流指令Ｉdpである。ここで両指令は力行から楕行に入る時すなわちインバータ２の運転を停止する時は両指令をほぼ同じように絞っていき、楕行から再力行に入る時、すなわちインバータ２の停止から再運転する時には図３（Ａ）でも示したと同じようにＩqpはＩdpより遅らせて立ち上げる。
【００２２】
図４（Ｂ）は上記運転状態におけるトルク電流成分検出値Ｉｑ，電動機の回転周波数Ｆｒ及び回転周波数指令Ｆrcの動作波形を示す。
【００２３】
楕行から再力行に入る時、インバータを停止してからの楕行状態における電動機の実際に近い回転周波数を推定しておけば安定な制御ができる。それを行うのが、図２の初期速度確定手段の制御ブロック８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ及び８３である。インバータを停止し楕行に入った時点では、Ｉqp，Ｉｑは０となるため上記制御ブロックを設けないと停止時点の回転周波数指令Ｆrcを保持し続けることになる。そこで実際の回転周波数ＦｒにＦrcを近づけるように立ち下げ加速度器８２ａからの第３の加速度指令αodをＦrc及びＩdpに応じて加速度指令αｏの初期値として出力する。それは図２を見るように、楕行に入るまえのインバータ停止時の回転周波数指令は、Ｆrc＞０であり、回転周波数指令判別器82ｂの出力が１、及びＩdp＝０なのでブロック８２ｃの出力が１となることにより動作される。ここで、第３の加速度指令αodを走行抵抗，勾配等を考慮して設定すれば、再びインバータ２の運転を開始するときの回転周波数指令ＦrcはＦｒに追従し精度良いものとなる。インバータ２が停止中において推定される回転周波数指令Ｆrcの精度が良くなれば、前述のようなインバータ２の運転開始時の動作（回路）を省略することができる。
【００２４】
なお、以上の説明では、トルク電流指令Ｉqpが励磁電流指令Ｉdpより所定時間tqs だけ遅れて発生する場合について述べたが、初期速度確立手段８のトルク電流検出値判別器８１ｃの出力が０になった時点で、トルク電流指令Ｉqpを発生するようにしてもよい。この場合、初期速度確立手段８のトルク電流指令判別器８１ｄは不要で、またトルク電流検出値判別器８１ｃの出力が０になったことを電流指令発生手段４に帰還する必要がある。
【００２５】
以上のように、図１の実施例によれば、回転周波数指令Ｆrcは、インバータ２の運転開始時において、初期速度確立手段８により誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ近傍に確立され、その後、電流制御器６２を通じて制御される。すなわち、完全な速度センサレスでベクトル制御が行え、且つ車両をトルク電流指令Ｉqp相当のトルクで加速できるという効果がある。
【００２６】
なお、加速度指令発生手段６は、図５のように、トルク電流指令Ｉqpと励磁電流指令Ｉdpを乗算器６３で乗算して、その結果に係数を掛けて演算する基準加速度器６４で基準加速度αｓに変換し、このαｓに、電流制御器６２の出力αcoを加算器６５で加算して、加速度指令αｃを発生するように構成してもよい。この場合、電流制御器６２の電流偏差分を調整するに留まり、電流制御器６２の負担が軽減するという効果がある。
【００２７】
また、回転周波数指令発生手段７は、図６のように、加速度指令αｃを電流抑制器７３を介して、この出力Ｆrsを、積分演算器７２の出力Ｆrco に加算器７４で加算して、回転周波数指令Ｆrcを発生するように構成してもよい。この場合、周波数制御つまり電流制御の応答性が高められるという効果がある。
【００２８】
図７は本発明の他の実施例を示す回路構成であって、図１に示す実施例と異なるところは次のことを付加したことである。すなわち、トルク電流指令Ｉqpと励磁電流指令Ｉdpより実効値演算器１１０で実効値電流指令Ｉmpを作成し、またトルク電流検出値Ｉｑと励磁電流検出値Ｉｄより実効値演算器１１１で実効値電流検出値Ｉｍを求める。そして、実効値電流指令Ｉmpから実効値電流検出値Ｉｍを減算器１１２で減算して電圧制御器１１３に与え、この電圧制御器１１３の出力をベクトル制御手段９の出力のインバータ出力電圧指令Ｖｍに加算器１１４で加算して、インバータ出力電圧指令Ｖｍ* を作成するようにしたことである。他は図１と同様である。
【００２９】
図７の実施例によれば、ベクトル制御手段９の演算において、誘導電動機３の実回路定数とベクトル制御用定数のパラメータの誤差、特に一次抵抗の誤差があっても、その誤差の影響を受ける実効値電流Ｉｍがその指令Ｉmpとなるように制御される。その結果、図１の実施例の効果に加えて、一次抵抗の誤差がトルク等に及ぼす影響が大きい低速時での制御精度の向上が図れるという効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、ベクトル制御方式を行う上で必要であった電動機の速度センサを一切排除することができるので、インバータ制御車両の制御装置における構成の簡素化および耐環境性の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す回路構成図。
【図２】図１の初期速度確立手段８の回路構成例。
【図３】図１の基本動作説明図。
【図４】図１の基本動作説明図。
【図５】図１の加速度指令発生手段６の他の回路構成例。
【図６】図１の回転周波数指令発生手段７の他の回路構成例。
【図７】本発明の他の実施例を示す回路構成図。
【符号の説明】
１…直流架線、２…ＰＷＭインバータ、３…車両駆動用誘導電動機、４…電流指令発生手段、６…加速度指令発生手段、７…回転周波数指令発生手段、８…初期速度確立手段、９…ベクトル制御手段、１０…ＰＷＭ制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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