JP2012114974A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 推定回転子位置が真の位置と異なった場合に、インバータの過電流や温度上昇を抑制することが可能な電気車の駆動制御装置を提供する。
【解決手段】 一実施形態に係る電気車制御装置は、直流を任意周波数の交流に変換し、同期電動機４を駆動する電力変換器３と、同期電動機４の回転速度を演算により推定する速度演算部６７と、入力されるトルク指令及び速度演算部６７により推定された回転速度に基づいて、電力変換器３の出力電圧を制御する制御部６１〜６４と、速度演算部６７により推定された回転速度が異常な値となったことを判別し、制御部６１〜６４に異常が検出されたことを示す信号を出力する異常判別部７３とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、速度センサあるいは回転位置センサを用いずに電動機を制御する電気車制御装置に関する。

電気車制御装置において、同期電動機を駆動制御するために、同期電動機の磁極位置（回転子位置）を検出器にて検出する電気車制御装置が知られている。このような従来の電気車制御装置では、同期電動機の回転子位置検出用センサやその配線が必要で電気車が高価なものになる。またその保守を行う必要があり手間がかかるという問題がある。このような問題を回避するために、同期電動機内の永久磁石回転子の磁気突極性を利用し、回転子位置検出用センサを用いずに同期電動機を制御する電気車制御装置が種々提案されている。このような従来例においては、同期電動機の複数の固定巻線のうち、２相間に生じる線間電圧を観測し、同期電動機の回転速度と回転子位置を推定するものがある。

上記従来例では、線間電圧の正確な検出が必要となり、回転速度が低い領域では線間電圧が小さいため、検出誤差により位置推定を失敗し、過電流やそれに伴う温度上昇等を生じることある。このような状態を維持する場合、回転子位置が目標とする位置に収束することもあるが、その場合、過渡的に大きなトルク変動が生じて乗り心地が劣化する等、電気車制御装置として望ましいものではない。

他の従来例の構成を図８に示す。図８において、１は電圧電源としての架線から電力を受電するパンタグラフ、２は直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、３は直流電圧を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電圧に変換するインバータ、４は負荷装置である主電動機、５はインバータ出力電流を検出する電流検出器である。

また６はインバータ３の制御回路であり、この制御回路は電流指令作成部６１、電流制御部６２、座標変換部６３、ＰＷＭ制御部６４、座標変換部６５、積分器６６、速度演算部６７で構成される。

電流指令作成部６１は、運転台のマスコン等からトルク指令を入力し、電流制御部６２にトルク電流指令ＩｑＲｅｆ、磁束電流指令ＩｄＲｅｆを出力する。電流制御部６２は、座標変換部６５より入力されるトルク電流Ｉｑ、磁束電流Ｉｄと、電流指令作成部６１より入力される電流指令ＩｑＲｅｆ、磁束電流指令ＩｄＲｅｆから、ｑ軸電圧ＶｑＰＩ、ｄ軸電圧ＶｄＰＩを演算し、座標変換部６３に出力する。ここで、ｑ軸電圧ＶｑＰＩ、ｄ軸電圧ＶｄＰＩは、実測値であるトルク電流Ｉｑ、磁束電流Ｉｄに基づいて算出された電圧値であるので、実際に発生している電圧とすることができる。

座標変換部６３は、積分器６６から出力される位相θ（推定回転子位置）に基づいて、電流制御部６２から入力されるｑ軸電圧ＶｑＰＩ、ｄ軸電圧ＶｄＰＩから電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを演算し、ＰＷＭ制御部６４に出力する。ＰＷＭ制御部６４は、座標変換部６３より入力される電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗからゲート信号を生成しインバータ３のゲートに出力する。

座標変換部６５は、電流検出器５で検出された電流値Ｉｕ，Ｉｗを、積分器６６から入力される位相θに基づいて、トルク電流Ｉｑ、磁束電流Ｉｄに変換し速度演算部６７に出力する。速度演算部６７は、電流制御部６２から入力されるｑ軸電圧ＶｑＰＩ、ｄ軸電圧ＶｄＰＩと、座標変換部６５から入力されるトルク電流Ｉｑ、磁束電流Ｉｄから、電動機４の推定角速度ω１を演算し積分器６６に出力する。積分器６６は速度演算部６７から入力される角速度ω１を積分し位相θを出力する。尚、この位相θは運転初期においては誤差が大きいが、運転している間に速度演算部６７による速度推定が行われることで、真の値に収束する。

特開２００６−２１７７５４号公報

上記に述べたような回転子位置センサを用いずに電動機を制御する電気車制御装置では、推定（演算）した回転子位置が真の回転子位置と一致することが不可欠である。この推定された回転子位置が真の回転子位置と異なっている場合には、所定トルク性能が得られない問題が生じる。また制御方式にもよるがトルク変動による乗り心地の劣化、過電流やそれに伴う温度上昇等が生じる場合がある。

本発明は、回転子位置センサを用いずにＶＶＶＦインバータにより電動機を制御する電気車制御装置において、推定回転子位置が真の位置と異なった場合に、過電流や温度上昇を抑制し、計画した車両の加減速度と実際の加減速度との差異を低減して車両推力の低下を抑制することが可能な電気車の駆動制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電気車制御装置は、直流を任意周波数の交流に変換し、電動機を駆動する電力変換器と、電動機の回転速度を演算により推定する速度演算手段と、入力されるトルク指令及び前記速度演算手段により推定された前記回転速度に基づいて、前記電力変換器の出力電圧を制御する制御手段と、前記速度演算手段により推定された回転速度が異常な値となったことを判別し、前記制御手段に異常が検出されたことを示す信号を出力する異常判別手段とを具備する。

第１の実施形態の電気車制御装置の構成を示すブロック図。 速度演算部で演算された角速度ω１が真の値に一致している時のベクトル図。 図１の速度推定部の構成例を示すブロック図。 第２の実施形態の電気車制御装置の構成を示すブロック図。 第３の実施形態の電気車制御装置の構成を示すブロック図。 第４の実施形態の電気車制御装置の構成を示すブロック図。 第５の実施形態の電気車制御装置の構成を示すブロック図。 従来例の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る電気車制御装置の概略構成を示すブロック図である。図８と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は割愛する。

図１において、６８は乗算器、６９ａ、６９ｂは加算器、７０は減算器、７１は絶対値を演算する絶対値演算器、７２は入力された値と所定値を比較する比較器である。速度演算部６７は、ｑ軸電圧ＶｑＰＩ及びｄ軸電圧ＶｄＰＩと、トルク電流Ｉｑ及び磁束電流Ｉｄに基づいて、電動機４の推定角速度ω１を演算すると共に、ｑ軸電圧指令ＶｑＣＲｅｆ及びｄ軸電圧指令ＶｄＣＲｅｆを出力する。尚、電流指令作成部６１、電流制御部６２、座標変換部６３、ＰＷＭ制御部６４、座標変換部６５、積分器６６は、外部より入力されるトルク指令及び速度演算部６７により推定された回転角速度を含む情報に基づいて、電力変換器３を制御する制御手段として機能する。

以下、本実施形態の動作について詳細に説明する。図２は速度演算部６７で演算された角速度ω１が真の値（実際値）に一致している時のベクトル図である。このとき、実際の電圧ベクトルＶと電圧指令値が示す電圧ベクトルＶｃは一致している。従って、ｄ軸電圧ＶｄＰＩとｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆは等しく、ｑ軸電圧ＶｑＰＩとｑ軸電圧指令値ＶｑＲｅｆは等しい。また、実際の電流ベクトルＩと電流指令が示す電流ベクトルＩｃは一致している。従って、磁束電流Ｉｄと磁束電流指令ＩｄＲｅｆは等しく、トルク電流Ｉｑとトルク電流指令ＩｑＲｅｆは等しい。

実際のモータ出力ＰＯＷＥＲは電圧電流方程式により次式で得られる。

ＰＯＷＥＲ＝ＶｄＰＩ×Ｉｄ＋Ｉｑ×ＶｑＰＩ （１）
一方、インバータ制御回路６が制御しようとしているモータ出力、すなわちモータ出力指令ＰＯＷＥＲＥＭＦは、次式で得られる。

ＶｄＣＲｅｆ＝Ｒ１×ＩｄＲｅｆ−ω１×Ｌｑ×ＩｑＲｅｆ （２）
ＶｑＣＲｅｆ＝Ｒ１×ＩｑＲｅｆ−ω１×Ｌｄ×ＩｄＲｅｆ＋ω１×Φ （３）
ＰＯＷＥＲＥＭＦ＝ＶｄＣＲｅｆ×ＩｄＲｅｆ
＋ＩｑＲｅｆ×ＶｑＣＲｅｆ （４）
ここで
Ｒ１ ：モータ抵抗値
Ｌｄ ：ｄ軸モータ漏れインダクタンス
Ｌｑ ：ｑ軸モータ漏れインダクタンス
ω１ ：インバータ周波数
Φ ：磁束
速度演算部６７は、式（２）、式（３）を演算し、加算器６９ａは式（４）を演算する。推定回転子位置が真の値と一致している場合、式（１）のＰＯＷＥＲと式（４）のＰＯＷＥＲＥＭＦは一致し、次の関係が得られる。

ＶｄＰＩ×Ｉｄ＋Ｉｑ×ＶｑＰＩ＝ＶｄＣＲｅｆ×ＩｄＲｅｆ
＋ＩｑＲｅｆ×ＶｑＣＲｅｆ （５）
従って、両辺の差は以下のようにゼロとなる。

ＶｄＰＩ×Ｉｄ＋Ｉｑ×ＶｑＰＩ−ＶｄＣＲｅｆ×ＩｄＲｅｆ
−ＩｑＲｅｆ×ＶｑＣＲｅｆ＝０ （６）
減算器７０は上式（６）を演算する。一方、推定回転子位置が真の値と一致してない場合、上式（５）は次式（７）のようになり、上式（６）はゼロではない値となる。この値をＰＯＷＥＲ＿Ｄ１とする。

ＶｄＰＩ×Ｉｄ＋Ｉｑ×ＶｑＰＩ≠ＶｄＣＲｅｆ×ＩｄＲｅｆ
＋ＩｑＲｅｆ×ＶｑＣＲｅｆ （７）
ＡＢＳ７１はＰＯＷＥＲ＿Ｄ１の絶対値ＰＯＷＥＲ＿Ｄ２を生成する。比較部７２は、このＰＯＷＥＲ＿Ｄ２が所定設定値ＰＯＷＥＲ＿Ｄ＿ＳＥＴを超え場合、推定回転子位置が真の値と異なっている判断し、異常フラグＰＯＷＥＲ＿Ｄとして“Ｈ”を出力する。尚、乗算器６８、加算器６９ａ、６９ｂ、減算器７０、ＡＢＳ７１、比較部７２は、速度演算部６７により推定された角速度ω１が異常な値となったことを判別する異常判別手段として機能する。

上述のように、モータ出力の実際値とモータ出力指令を比較することで、推定回転子位置が真の値と異なっているか容易に判断することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の概略構成を示すブロック図である。

本実施形態は図１の第１の実施形態と比べ、回転子位置の異常判断方法が異なる。特許第３７１９９１０号には、同期電動機等の電気的突極性を持つ電動機の回転子位置推定方法の１つが開示されている。この文献では、モータにトルクを発生させるために供給する交流電力に、該交流の周波数より高い周波数の電圧ないしは電流を重畳させ、その結果得られる電流又は電圧のうち、印加した高周波と同じ周波数の成分の波形を抽出・解析し、回転子位置を推定する。

図４は上記特許第３７１９９１０号で示された回転子位置推定手段に対応する速度演算部６７の構成を示すブロック図である。図４において、評価指標Ｈｄｃがゼロになるように比例積分（ＰＩ）制御し、推定角速度ω１が生成される。評価指標Ｈｄｃがゼロにならない場合、ω１は真の値と異なっている。

図３において、ＡＢＳ７１は評価指標Ｈｄｃの絶対値Ｈｄｃ１を生成する。比較部７２は、この絶対値Ｈｄｃ１が所定値ＨＹＯｄ＿Ｄ＿ＳＥＴを超えた場合、推定速度異常と判断し、異常フラグＨＹ０Ｃｄ＿Ｄとして“Ｈ”を出力する。尚、ＡＢＳ７１、比較部７２は、速度演算部６７により推定された角速度ω１が異常な値となったことを判別する異常判別手段として機能する。

本実施形態においても第１の実施形態と同様に推定回転子位置が真の値と異なっているか容易に判断することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の概略構成を示すブロック図である。

図１の第１の実施形態とは、回転子位置の異常判断方法が異なる。本実施形態の動作について図５を参照して説明する。モータに誘起されるｑ軸誘起電圧Ｅｑは電圧電流方程式に基づいて次式にて得られる。

Ｅｑ＝ＶｑＰＩ−Ｒ×Ｉｑ−ω×Ｌｄ×Ｉｄ （８）
一方、インバータ制御回路６が制御しようとしているｑ軸誘起電圧指令ＥｑＲｅｆは次式にて得られる。

ＥｑＲｅｆ＝ＶｑＣＲｅｆ
−Ｒ×ＩｑＲｅｆ−ω１×Ｌｄ×ＩｄＲｅｆ （９）
ここで、
Ｅｑ ：ｑ軸誘起電圧
ＥｑＲｅｆ ：ｑ軸誘起電圧指令
ＶｑＰＩ ：ｑ軸電圧
ＶｑＣＲｅｆ ：ｑ軸電圧指令
Ｒ ：モータ抵抗値
Ｉｑ ：トルク電流
ＩｑＲｅｆ ：トルク電流指令
Ｉｄ ：磁束電流
Ｉｄ ：磁束電流指令
Ｌｄ ：ｄ軸モータ漏れインダクタンス
ω１ ：推定角速度
減算器７０は上記ｑ軸誘起電圧Ｅｑを出力し、減算器８０は上記ｑ軸誘起電圧指令ＥｑＲｅｆを出力する。

推定回転子位置θが真の値と一致している場合、式（８）、式（９）は一致し、次式に示す関係が得られる。

ＶｑＰＩ−Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ ＝
ＶｑＣＲｅｆ−Ｒ×ＩｑＲｅｆ＋ω１×Ｌｄ×ＩｄＲｅｆ （１０）
従って、両辺の差分はゼロとなる。

ＶｑＰＩ−Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ
−ＶｑＣＲｅｆ＋Ｒ×ＩｑＲｅｆ−ω１×Ｌｄ×ＩｄＲｅｆ＝０ （１１）
一方、推定回転子位置θが真の値と一致してない場合、式（１０）の両辺は次式のように一致せず、式（１１）はゼロでない値となる。この値をＥｑ１とする。

ＶｑＰＩ−Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ ≠ ＶｑＣＲｅｆ−Ｒ×ＩｑＲｅｆ＋ω１×Ｌｄ×ＩｄＲｅｆ （１２）
減算器８１は「Ｅｑ−ＥｑＲｅｆ」を演算し、Ｅｑ１を出力する。ＡＢＳ７１はＥｑ１の絶対値Ｅｑ２を生成する。比較部７２は、このＥｑ２が所定設定値Ｅｑ＿Ｄ＿ＳＥＴを超え場合、推定回転子位置が真の値と異なったと判断し、異常フラグＥｑ＿Ｄとして“Ｈ”を出力する。尚、乗算器６８、加算器６９、減算器７０、８０、８１、ＡＢＳ７１、比較部７２は、速度演算部６７により推定された角速度ω１が異常な値となったことを判別する異常判別手段として機能する。

上述のように、モータに誘起される誘起電圧と誘起電圧指令を比較することで、推定回転子位置θが真の値と異なっているか容易に判断することができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態の概略構成を示すブロック図である。

図１の第１の実施形態とは、電気車制御装置１台に複数台のインバータ装置を備えたことが異なる。図６は電気車制御装置１台に第１のインバータ制御回路６ａと第２のインバータ制御回路６ｂの２台のインバータ制御回路を備えた例を示したものである。ここで、各モータが駆動する車輪の回転速度は同一とする。

減算器７０は、第１のインバータ制御回路６ａの速度演算部で算出されるω１＿１と第２のインバータ制御回路６ｂの速度演算部で演算されるω１＿２の差分を演算し、ＦＲ＿Ｄ１として出力する。ＡＢＳ７１はＦＲ＿Ｄ１の絶対値ＦＲ＿Ｄ２を生成する。比較部７２は、このＦＲ＿Ｄ２が所定設定値ＦＲ＿Ｄ＿ＳＥＴを超え場合、推定回転子位置が真の値と異なったと判断し、異常フラグＦＲ＿Ｄとして“Ｈ”を出力する。尚、減算器７０、ＡＢＳ７１、比較部７２は、速度演算部により推定された角速度ω１が異常な値となったことを判別する異常判別手段として機能する。

上述のように、第１のインバータ制御回路と第２のインバータ制御回路で、モータ回転速度を比較することで、推定回転子位置が真の値と異なっているか容易に判断することができる。

また、３台以上のインバータ制御回路を備えている場合も同様であり、それぞれのモータ回転速度を比較することで、異常かどうかを判断することができる。

（第５の実施形態）
図７は第５の実施形態の概略構成を示すブロック図である。

図７において第１〜第４の実施形態で記載した、回転子位置の異常検出方法で算出した異常フラグをＯＲ回路７３で論理和ＦＥＤ＿Ｄを算出し反転回路７４に入力する。反転回路７４はＦＥＤ＿Ｄを反転して／ＦＥＤ＿Ｄとし、ＡＮＤ回路７５に出力する。ＡＮＤ回路７５ではＰＷＭ制御部から出力されたゲート信号と、／ＦＥＤ＿Ｄ信号の論理積を演算し、最終的なゲート信号とする。推定回転子位置θの異常が検出されると、ＡＮＤ回路７５の出力ゲート信号は全て“Ｌ”となり、車両は惰性走行する。その後、インバータ３は再起動され、正常な回転子位置が求められる。

尚、モータ４の回転開始時は、推定回転子位置θの誤差が大きく、異常が検出されることがある。そのような場合は、モータ４とインバータ３の間に設けられる相間電圧センサの出力波形から回転速度概略値を得る。この回転速度概略値をモータ４の回転開始時の制御に適用することで、回転子位置θの異常検出を回避できる。

上述のように少なくとも１つの実施形態によれば、回転子位置の異常検知にて、ゲート信号をオフすることで、過電流や温度上昇を抑制し、計画した車両の加減速度と実際の加減速度との差異を低減して車両推力の低下を抑制することが可能な電気車の駆動制御装置及び方法が提供される。

以上の説明はこの発明の実施形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。

１…パンタグラフ、２…平滑コンデンサ、３…インバータ、４…電動機、６…インバータ制御回路、６１…電流指令作成部、６２…電流制御部、６３、６５…座標制御部、６４…ＰＷＭ制御部、６６…積分部、６７…速度演算部、６８…乗算器、６９…加算器、７０…減算器、７１…絶対値演算器、７２…比較器、７３…論理和回路、７４…反転回路、７５…論理積回路。

Claims (6)

1. 直流を任意周波数の交流に変換し、電動機を駆動する電力変換器と、
   前記電力変換器が変換した交流により駆動される電動機の回転速度を演算により推定する速度演算手段と、
   外部より入力されるトルク指令及び前記速度演算手段により推定された回転速度を含む情報に基づいて、前記電力変換器を制御する制御手段と、
   前記速度演算手段により推定された回転速度が異常な値となったことを判別し、前記制御手段に異常が検出されたことを示す信号を出力する異常判別手段と、
   を具備する電気車制御装置。
2. 前記異常判別手段は、電動機出力と制御上の電動機出力指令との差分に基づいて、前記推定された回転速度が異常な値となったことを判別する請求項１記載の電気車制御装置。
3. 前記異常判別手段は、前記推定された回転速度の評価指標に基づいて、前記推定された回転速度が異常な値となったことを判別する請求項１記載の電気車制御装置。
4. 前記異常判別手段は、前記電動機に発生する誘起電圧と、制御上の誘起電圧指令との差分に基づいて、前記推定された回転速度が異常な値となったことを判別する請求項１記載の電気車制御装置。
5. 第２の電動機と、前記第２の電動機の回転速度を推定する第２の速度演算手段と、前記第２の電動機を駆動する第２の電力変換器と、前記第２の電力変換器を制御する第２の制御部を具備し、
   前記異常判別手段は、前記第１の速度演算手段により推定された回転速度と、前記第２の速度演算手段により推定された回転速度の差速度に基づいて、前記第１及び第２の速度演算手段の一方により推定された回転速度が異常な値となったことを判別する請求項１記載の電気車制御装置。
6. 前記推定された回転速度が前記判別手段により異常な値となったことが判別された場合、前記制御手段は、前記電力変換器を停止させ及び前記電力変換器を再起動させる請求項１乃至５のうち１項記載の電気車制御装置。

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