トップ :: B 処理操作 運輸 :: B60 車両一般




【発明の名称】 インバータ制御車両の制御装置
【発明者】 【氏名】棚町 徳之助

【氏名】鈴木 優人

【氏名】安藤 武

【氏名】豊田 瑛一

【氏名】筒井 義雄

【氏名】仲田 清

【氏名】安田 高司
【要約】 【課題】空転量の推定精度を高め、この推定空転量に基づいてトルク制御つまり再粘着制御を行うことにより、レール状態に見合ったトルクによって車両を加速することにある。

【解決手段】車両駆動用誘導電動機３と、インバータ２と、インバータ制御手段４と、トルク指令を発生する電流指令発生手段５と、前記電動機の回転周波数検出手段１０２と、車両の実加速度より大きい基準加速度信号を発生する手段７と、前記回転周波数（速度換算値）と前記基準加速度信号に基づいて車両速度を推定する手段６と、この車両推定速度が前記回転周波数（速度換算値）より大きい場合、この偏差に応じて前記基準加速度信号を調整する手段８と、前記回転周波数（速度換算値）が前記車両推定速度より大きい場合、この偏差に基づいて、インバータ制御手段に作用して、前記電動機が発生するトルクを制御する再粘着制御手段９とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両駆動用誘導電動機と、この電動機を駆動するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御手段と、このインバータ制御手段に与えるトルク指令若しくはこれに相当する指令を発生する電流指令発生手段と、前記電動機の回転周波数を検出する手段と、車両の実加速度より大きい基準加速度信号を発生する手段と、前記回転周波数（速度換算値）と前記基準加速度信号に基づいて車両速度を推定する手段と、この車両推定速度が前記回転周波数（速度換算値）より大きい場合、この偏差に応じて前記基準加速度信号を調整する手段と、前記回転周波数（速度換算値）が前記車両推定速度より大きい場合、この偏差に基づいて、前記インバータ制御手段に作用して、前記電動機が発生するトルクを制御する再粘着制御手段とを備える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】 請求項１において、車両の実加速度より大きい基準加速度信号は、電流指令発生手段の出力であるトルク電流指令若しくはインバータ制御手段に与えられるトルク電流指令を係数倍して、または、誘導電動機のトルクの演算値を係数倍して車両の実加速度を推定し、この推定値に係数を掛けるか若しくは一定値を加算して求める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３】 請求項１において、車両推定速度は、車両の実加速度と等しい加速度信号に一次遅れ要素の時定数を積算し、この積算値と誘導電動機の回転周波数（速度換算値）を加算し、この加算値を一次遅れ要素に与えて求める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４】 請求項１において、車両推定速度は、車両の実加速度と等しい加速度信号に積分要素の積分時定数を積算し、この積算値と誘導電動機の回転周波数（速度換算値）を加算し、この加算値から車両推定速度を減算し、その減算結果をリミット値が前記積算値のリミッタを介して前記積分時定数の積分要素に与え、積分して求める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５】 請求項１において、基準加速度信号を調整する手段は、一次遅れ要素と最小値選択手段を有し、通常時（非空転時）には、車両速度を推定する手段に与える加速度信号が車両の実加速度と等しくなるように、車両の実加速度より大きい基準加速度信号の調整量を出力し、空転時には、空転前の基準加速度信号の調整量を保持する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６】 請求項５において、基準加速度信号の調整量は、誘導電動機の回転周波数（速度換算値）から車両推定速度を減算して得た推定空転量が負になるとき、この負の推定空転量を係数倍した値と、この係数倍した値を一次遅れ要素を介して得た値とを比較し、小さい方の値を選択して求める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７】 請求項１において、再粘着制御手段は、一次遅れ要素を有し、空転が発生して、誘導電動機の回転周波数（速度換算値）から車両推定速度を減算して得た推定空転量が正になるとき、この正の推定空転量に基づいてトルク電流指令の調整量を出力し、かつ、再粘着したと判断されたときの調整量をしばらく保持し、再粘着させる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８】 請求項７において、トルク電流指令の調整量は、正の推定空転量を空転再粘着の判断に基づいて一次遅れ要素に与えて得た第１の調整量と、空転再粘着の判断に基づいてトルク電流絞りパターンから得た第２の調整量を加算して求める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、空転量の推定と再粘着制御の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータ制御車両では、駆動輪が空転すると、再粘着するように、駆動輪を駆動する誘導電動機のトルクを制御することがよく知られている。空転検出方法としては、空転している駆動輪の回転数（速度換算値）と車両速度の偏差に基づいて求めるが、この際、空転量を正確に検出できれば、再粘着制御が理想的に実行できる。このためには、車両速度を正確に知る必要がある。車両速度は、付随車の非駆動輪の回転数より検出できるが、そのためには、非駆動輪の回転数検出手段を取り付ける必要があり、また、空転量の検出誤差を小さくするためには、非駆動輪と駆動輪の車輪径の差を補正する必要がある。非駆動輪が利用できない場合、車両速度の推定法として、「インバータ車両の空転滑走制御」（平成２年電気学会産業応用部門全国大会の講演論文集…以下、文献■と称す。）に、同一インバータによって制御される複数の誘導電動機の回転周波数（速度換算値）を比較して基準速度を決め、この基準速度とその一階微分値から推定することが記載されている。また、「ＶＶＶＦインバータ駆動制御電気機関車の再粘着制御」（平成２年電気学会産業応用部門全国大会の講演論文集…以下、文献■と称す。）に、誘導電動機の回転周波数（速度換算値）と前回の車両推定速度との偏差を計算し、その偏差をリミッタを通して積分することにより、今回の車両推定速度を得ることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】文献■の車両速度の推定法では、複数の誘導電動機つまり各駆動輪が全部空転した場合、車両推定速度は実際値より大きくなる。すなわち、推定空転量は実際値より小さくなり、推定空転量の誤差が大きくなる。文献■の車両速度の推定法では、リミッタが作動しない通常の加速時（非空転）に、誘導電動機の回転周波数の変化率（加速度換算値）に応じて車両推定速度に誤差が生じる。また、空転が発生し、リミッタが作動しても、そのリミット値が一定のため、リミット値と車両の実加速度の差が大きいと、車両推定速度は実際値より大きくなる。すなわち、推定空転量は実際値より小さくなり、推定空転量の誤差が大きくなる。以上のように、上記の車両速度の推定法では、推定空転量の誤差が大きくなる可能性が高い、という課題がある。従って、この推定空転量に基づいてトルクを制御しても、粘着性能を向上させることは困難である。
【０００４】本発明の課題は、空転量の推定精度を高め、この推定空転量に基づいてトルク制御つまり再粘着制御を行うことにより、レール状態に見合ったトルクによって車両を加速するに好適なインバータ制御車両の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の課題は、車両の実加速度より大きい基準加速度信号を発生する手段と、車両駆動用誘導電動機の回転周波数（速度換算値）と前記基準加速度信号に基づいて車両速度を推定する手段と、この車両推定速度が前記回転周波数（速度換算値）より大きい場合、この偏差に応じて前記基準加速度信号を調整する手段と、前記回転周波数（速度換算値）と前記車両推定速度より大きい場合、この偏差に基づいて、前記インバータ制御手段に作用して、前記電動機が発生するトルクを制御する再粘着制御手段とを備えることにより、解決される。
【０００６】本発明の構成によれば、非空転時おいて、基準加速度信号は車両の実加速度より大きいため、車両推定速度は誘導電動機の回転周波数（速度換算値）より大きくなろうとするが、両者が等しくなるように、車両推定速度は誘導電動機の回転周波数（速度換算値）を上回る量に応じて、基準加速度信号が調整される。すなわち、調整後の基準加速度信号は車両の実加速度とほぼ等しくなる。空転が発生すると、車両推定速度は、しばらくの間、空転前の車両の実加速度に近い値（調整された基準加速度信号）で変化するので、推定空転量の精度は高められる。従って、この推定空転量に基づいて、トルク制御つまり再粘着制御を行うことにより、レール状態に見合ったトルクによって車両を加速できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態によるインバータ制御車両の制御装置を示す。図１において、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によって駆動される車両駆動用誘導電動機、４はインバータ２の出力電圧及び出力周波数を制御するインバータ制御手段、５は応荷重指令、ノッチ指令及び誘導電動機３の回転周波数Ｆｒに基づいて、トルク電流指令Ｉｑｐｏと励磁電流指令Ｉｄｐｏを発生する電流指令発生手段である。インバータ制御手段４には、トルク電流指令Ｉｑｐｏから後述する再粘着制御手段９の出力△Ｉｑｐを減算手段１０７によって減算したトルク電流指令Ｉｑｐが与えられ、また、励磁電流指令Ｉｄｐｏがそのまま与えられる。ここで、インバータ制御手段４の動作について述べる。インバータ制御手段４では、トルク電流指令Ｉｑｐが与えられると、このトルク電流指令Ｉｑｐから検出手段１０１により検出したトルク電流Ｉｑを減算手段４１によって減算し、この電流偏差を電流制御手段４２に与える。電流制御手段４２は、その電流偏差が０となるように、トルク電流指令Ｉｑｐの調整量△Ｉｑを出力する。この調整量△Ｉｑをトルク電流指令Ｉｑｐに加算手段４３によって加算し、トルク電流指令Ｉｑ*を得る。ベクトル演算手段４４では、トルク電流指令Ｉｑ*と励磁電流指令Ｉｄｐｏ及び検出手段１０２により検出した誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ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。そして、これらの指令を受けて、ＰＷＭ制御手段４５はインバータ２を構成するスイッチング素子が所定の動作を行うような信号を出力する。
【０００８】次に、車両速度推定手段６は、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）と加速度信号αｔに基づいて車両速度を推定する機能を有する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）に、この車両速度推定手段６の構成例を示す。図２（Ａ）において、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）が車両の実加速度と等しい加速度信号αｔで加速されているとした場合、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）を時定数がＴｒの一次遅れ要素６３に直接与えると、その一次遅れ要素６３の出力つまり車両推定速度Ｆｔは、定常的に、Ｆｒよりαｔ・Ｔｒだけ小さい値となる。この定常誤差をなくするため、加速度信号αｔを係数器６１によって一次遅れ要素６３の時定数Ｔｒ倍し、このαｔ・Ｔｒと誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）を加算手段６２によって加算し、一次遅れ要素６３に与える。この結果、図２（Ａ）の構成例では、空転が発生し、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）が車両の実速度より大きくなっても、一次遅れ要素６３の作用のため、しばらくの間は、車両推定速度Ｆｔは車両の実速度より多少大きくなる程度で、車両の実速度にほぼ等しい。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）を改良した構成例である。すなわち、図２（Ｂ）では、加算手段６２の出力（Ｆｒ＋αｔ・Ｔｒ）から車両推定速度Ｆｔを減算手段６４によって減算し、その減算結果をリミット値がαｔ・Ｔｒのリミッタ６５を介して積分時定数がＴｒの積分要素６６により積分し、車両推定速度Ｆｔを得るようにした。その結果、図２（Ｂ）の構成例では、空転が発生し、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）が車両の実速度より大きくなっても、減算手段６４の出力はリミット値αｔ・Ｔｒに制限され、車両推定速度Ｆｔは車両の実加速度αｔで加速されるため、車両の実速度に等しくなる。なお、減算手段６４の出力がリミッタ６５のリミット値より小さい場合、加算手段６２の出力に対する車両推定速度Ｆｔは、時定数がＴｒの一次遅れ要素と同じ、つまり、図２（Ａ）と同じになる。以上のように、車両速度推定手段６（図２（Ｂ））に与える加速度信号αｔが車両の実加速度に等しければ、空転が発生し、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）が車両の実速度より大きくなっても、車両の実速度に等しい車両推定速度Ｆｔが得られる。すなわち、空転量つまり誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）と車両の実速度の偏差を正確に推定することができる。
【０００９】次に、車両速度推定手段６に与える加速度信号αｔの発生方法について、以下に述べる。基準加速度信号発生手段７は、車両の実加速度より大きい基準加速度信号αｐを発生する機能を有する。例えば、基準加速度信号発生手段７では、図示していないが、電流指令発生手段５の出力であるトルク電流指令Ｉｑｐｏを係数倍して、車両の実加速度を推定し、この推定値に係数を掛けるか若しくは一定値を加算して、車両の実加速度より大きい基準加速度信号αｐを発生する。なお、車両の実加速度は、インバータ制御手段４に与えられるトルク電流指令Ｉｑｐ、または、誘導電動機３のトルクの演算値を係数倍して推定してもよい。これらいづれの場合でも、応荷重指令を考慮して、車両の実加速度を推定すれば、推定精度を高めることができる。もちろん、車両の実加速度は推定でなく、付随車の非駆動輪の回転数より検出（演算）してもよいことは云うまでもない。
【００１０】通常時（非空転時）において、車両速度推定手段６に車両の実加速度より大きい基準加速度信号αｐが加速度信号αｔとして与えられると、その出力つまり車両推定速度Ｆｔは車両の実速度より大きくなる。すなわち、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）から車両推定速度Ｆｔを減算手段１０４によって減算した値つまり推定空転量は負となる。この負の推定空転量Ｖαを負信号抽出手段１０５により抽出し、基準加速度信号調整手段８に与える。
【００１１】基準加速度信号調整手段８は、通常時（非空転時）には、車両速度推定手段６に与える加速度信号αｔが車両の実加速度と等しくなるように、車両の実加速度より大きい基準加速度信号αｐの調整量Δαｐを出力し、空転時には、空転前の基準加速度信号αｐの調整量Δαｐを保持する機能を有する。図３に、この基準加速度信号調整手段８の構成例を示す。図３では、負の推定空転量Ｖαを係数器８１によりＫａ倍し、このＶα・Ｋａと、Ｖα・Ｋａの一次遅れ要素８２（時定数Ｔａ）を介した値の小さい方の値を最小値選択手段８３により選択して出力（Δαｐ）する。この基準加速度信号調整手段８の出力Δαｐ（負）と基準加速度信号αｐとを加算手段１０３によって加算し、加速度信号αｔとして、車両速度推定手段６に与える。その結果、基準加速度信号調整手段８は、通常時（非空転時）には、負の推定空転量Ｖα（負信号抽出手段１０５の出力）が０に近づくように、つまり、加速度信号αｔ（＝αｐ＋Δαｐ（負））が車両の実加速度にほば等しくなるように、基準加速度信号αｐの調整量Δαｐ（負）を出力する。そして、空転が発生して、負の推定空転量Ｖα（負信号抽出手段１０５の出力）が０になると、一次遅れ要素８２の作用により、空転前の基準加速度信号αｐの調整量Δαｐ（負）が緩やかに変化（負の値が減少）する。このため、しばらくの間、加速度信号αｔ（＝αｐ＋Δαｐ（負））は、車両の実加速度にほば等しく、つまり、車両推定速度Ｆｔは車両の実速度より多少大きくなるが、車両の実速度にほば等しい。従って、空転して、しばらくの間は、空転量つまり誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）と車両の実速度の偏差をほぼ正確に推定することができる。
【００１２】一方、空転が発生して、誘導電動機３の回転周波数Ｆｒ（速度換算値）から車両推定速度Ｆｔを減算手段１０４によって減算した値つまり推定空転量が正になると、この正の推定空転量Ｖｓを正信号抽出手段１０６により抽出し、再粘着制御手段９に与える。再粘着制御手段９は、正の推定空転量Ｖｓに基づいてトルク電流指令Ｉｑｐｏを調整し、再粘着させる機能を有する。図４に、再粘着制御手段９の構成例を示す。図４において、空転再粘着判断手段９１は、正の推定空転量Ｖｓが空転判断レベルより大きければ、”１”を出力し、また、正の推定空転量Ｖｓが再粘着判断レベル(＜空転判断レベル）より小さければ、”０”を出力する。この出力と正の推定空転量Ｖｓを掛け算手段９２によって掛け算し、一次遅れ要素９３（時定数Ｔｓ、利得Ｋｓ）に与える。一次遅れ要素９３は、正の推定空転量Ｖｓに応じてトルク電流指令Ｉｑｐｏの調整量ΔＩｑｐ１を出力する。また、、空転再粘着判断手段９１の出力はトルク電流絞りパターン発生手段９４に与えられ、トルク電流絞りパターン発生手段９４は、正の推定空転量Ｖｓに依存しないで、所定のパターンによってトルク電流指令Ｉｑｐｏの調整量ΔＩｑｐ２を出力する。すなわち、空転再粘着判断手段９１の出力が１になると、調整量ΔＩｑｐ２を所定の時定数で増加させ、空転再粘着判断手段９１の出力が０になると、そのときの調整量ΔＩｑｐ２をしばらく保持した後、所定の時定数で緩やかに減少させる。そして、調整量ΔＩｑｐ１と調整量ΔＩｑｐ２を加算手段９５によって加算し、トルク電流指令Ｉｑｐｏの調整量ΔＩｑｐを得、この調整量ΔＩｑｐをトルク電流指令Ｉｑｐｏから減算手段１０７によって減算し、トルク電流指令Ｉｑｐとしてインバータ制御手段４に与える。その結果、トルク電流指令Ｉｑｐは、推定空転量Ｖｓに応じて調整され、かつ、再粘着したと判断されたときの値がしばらく保持されるので、レール状態に見合ったトルクにより確実に再粘着させることができる。
【００１３】以上のように、本実施形態では、空転量の推定精度が高められ、この推定空転量に基づいてトルク制御つまり再粘着制御が行われるので、レール状態に見合ったトルクにより車両を加速することができる。なお、以上の説明では、加速時の空転について述べたが、減速時（回生制動時）の滑走についても、本発明を適用できることは云うまでもない。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、空転が発生したとき、車両推定速度は、しばらくの間、空転前の車両の実加速度に近い値（調整された基準加速度信号）で変化するので、誘導電動機の回転周波数（速度換算値）と車両の実速度の偏差をほぼ正確に推定することができ、空転量の推定精度を高めることができる。また、この推定精度の高い空転量に基づいてトルク制御つまり再粘着制御を行うので、レール状態に見合ったトルクにより車両を加速することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成９年（１９９７）１２月１１日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】笹岡 茂 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−１７８１０７
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月２日
【出願番号】 特願平９−３６２１５０