| 【発明の名称】 |
電気車の制御装置及び制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】國見 篤史
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| 【要約】 |
【課題】車両の固有周波数等の外的要因に左右されずに平滑用電解コンデンサの電荷を放電できる電気車の制御装置及び方法を提供する。
【解決手段】制御装置が、トルク指令からトルク分電流であるq軸電流の指令値Iq*を算出するIq制御手段と、トルク指令値と電動機の回転数をもとに損失が最小になるd軸電流の指令値Id*を得るためのId制御手段と、電動機に流れる電流に基づいて前記Id*、Iq*を補正する電流制御手段とを有する電気車の制御装置において、メインコンタクタのオフに伴い平滑用コンデンサの電荷を放電させる際、Iq軸電流の指令値Iq*及びd軸電流指令値Id*を、電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限して、電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより消費させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】メインコンタクタ及びインバータを介してバッテリに接続された電気車駆動用の永久磁石型同期電動機と、前記メインコンタクタと前記インバータの間に並列に接続され直流電力を平滑する電解コンデンサと、車両の操作状態から前記電動機が発生すべきトルク指令を算出するトルク指令算出手段と、該トルク指令にもとづき前記インバータを駆動する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記トルク指令からトルク分電流であるq軸電流の指令値Iq*を算出するIq制御手段と、トルク指令値と前記電動機の回転数をもとに損失が最小になるd軸電流の指令値Id*を得るためのId制御手段と、前記電動機に流れる電流に基づいて前記Id*、Iq*を補正する電流制御手段とを有する電気車の制御装置において、前記メインコンタクタのオフに伴い前記平滑用コンデンサの電荷を放電させる際、前記q軸電流の指令値Iq*及び前記d軸電流指令値Id*を、前記電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限して、前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより前記電荷を消費させる放電処理手段を設けたことを特徴とする電気車の制御装置。 【請求項2】請求項1に記載の電気車の制御装置において、前記放電処理手段は、平滑用コンデンサの電荷を放電させる際、前記q軸電流の指令値Iq*を0とし、前記d軸電流指令値Id*を車両挙動が起きない大きさに制限して、前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより消費させることを特徴とする電気車の制御装置。 【請求項3】請求項1または2に記載の制御装置において、前記放電処理手段は、前記平滑用コンデンサの電荷を放電させる際に、放電開始後一定時間放電しても前記電圧検出手段からの検出値が下がらない場合、メインコンタクタの未遮断状態とし、放電動作を中止し過度に電力を消費しないようにしたことを特徴とした電気車の制御装置。 【請求項4】バッテリからメインコンタクタを介して接続されたインバータと、該インバータによって直流電流を交流電流に変換して供給される電気車の駆動用の永久磁石型同期電動機と、前記メインコンタクタとインバータの間に並列に接続された直流電力を平滑する電解コンデンサと、車両操作状態から前記電動機が発生すべきトルクを算出するトルク指令算出手段と、与えられたトルク指令にもとづき前記インバータを駆動する制御装置と、前記電動機の磁極位置を検出する手段と、前記電動機の回転数を検出する手段と、前記電動機に流れる電流を検出する手段と、前記電解コンデンサの電圧を検出する手段と、前記各検出手段の異常を検出する異常検出手段とを備え、前記制御装置は、トルク指令からトルク分電流であるq軸電流の指令値Iq*を算出するIq制御手段と、該トルク指令値と前記回転数検出手段からの情報をもとに損失が最小になるd軸電流の指令値Id*を得るためのId制御手段と、前記電流検出手段からの検出値を3相/2相変換し、Id検出値Id^及びIq検出値Iq^に変換しId*、Iq*を補正する電流制御手段とを有し、キースイッチのオフにより前記メインコンタクタがオフにされる電気車の制御装置において、前記電解コンデンサの電荷を放電させる際、トルク分電流である前記q軸電流の指令値Iq*を0とし、前記d軸電流指令値Id*により前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより前記電荷を消費させる放電処理手段を設けたことを特徴とする電気車の制御装置。 【請求項5】請求項4に記載の制御装置において、前記異常検出手段が異常を検出した場合、それが放電動作を行うために不可欠な検出手段だった場合に、前記放電処理手段は、前記放電動作を中止することを特徴とした電気車の制御装置。 【請求項6】メインコンタクタ及びインバータを介してバッテリに接続された電気車駆動用の永久磁石型同期電動機と、前記メインコンタクタと前記インバータの間に並列に接続され直流電力を平滑する電解コンデンサと、車両の操作状態から前記電動機が発生すべきトルク指令を算出するトルク指令算出手段と、該トルク指令にもとづき前記インバータを駆動する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記トルク指令からトルク分電流であるq軸電流の指令値Iq*を算出するIq制御手段と、前記トルク指令値と前記電動機の回転数をもとに損失が最小になるd軸電流の指令値Id*を得るためのId制御手段と、前記電動機に流れる電流に基づいて前記Id*、Iq*を補正する電流制御手段とを有する電気車の制御方法において、前記メインコンタクタのオフに伴い前記電解コンデンサの電荷を放電させる際、前記q軸電流の指令値Iq*及び前記d軸電流指令値Id*を、前記電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限して、前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより前記電荷を消費させることを特徴とする電気車の制御方法。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、駆動用永久磁石型同期電動機を有する電気車の制御装置及び制御方法に係り、特に電解コンデンサに蓄積された電荷の放電を制御する電気車の制御装置及び制御方法に関する。 【0002】 【従来の技術】 従来、電気車の電動機としては一般に交流誘導電動機が採用されておりこの制御方法としてベクトル制御方式が広く用いられている。 【0003】電気車の走行終了後、キースイッチをオフした場合、これに連動しメインコンタクタも遮断されバッテリからの電力供給は遮断され電動機も停止するが、平滑用の電解コンデンサ内には電荷が残る。この状態でインバータのゲート回路の電源がオフされると、通常逆バイアスされているスイッチング素子の入力がスイッチング素子駆動回路の電圧の低下により無制御状態となり逆バイアスが無くなり、スイッチング素子がオンし短絡電流が流れスイッチング素子及びゲート回路を破損してしまう。 【0004】このため、キースイッチをオフ後、平滑用電解コンデンサの電荷を放電する必要がある。この放電を行うために例えば、特開平9−215102号公報に記載の様に、誘起電圧位相に非同期にフリーラン状態で、かつ定電流制御された電気車両を駆動させない程度の交流電流を永久磁石型同期電動機の巻線に放電し、巻線のインピーダンスで消費させる電荷放出方法がある。 【0005】しかし、この方法は位相角をフリーラン状態にするため、周波数f1の発生トルクが生じる。そのため、この発生トルクの周波数を車両の固有周波数よりも大きくする必要があった。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、車両の固有周波数等の外的要因に左右されずに平滑用電解コンデンサの電荷を放電できる電気車の制御装置及び方法を提供することにある。本発明の他の目的は、平滑用電解コンデンサの電荷を放電する際に、放電経路及びその制御のための検出手段などに異常が発生した時には放電を中止して、安全性を向上させた電気車の制御装置及び方法を提供することにある。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、メインコンタクタ及びインバータを介してバッテリに接続された電気車駆動用の永久磁石型同期電動機と、前記メインコンタクタと前記インバータの間に並列に接続され直流電力を平滑する電解コンデンサと、車両の操作状態から前記電動機が発生すべきトルク指令を算出するトルク指令算出手段と、該トルク指令にもとづき前記インバータを駆動する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記トルク指令からトルク分電流であるq軸電流の指令値Iq*を算出するIq制御手段と、トルク指令値と前記電動機の回転数をもとに損失が最小になるd軸電流の指令値Id*を得るためのId制御手段と、前記電動機に流れる電流に基づいて前記Id*、Iq*を補正する電流制御手段とを有する電気車の制御装置において、前記メインコンタクタのオフに伴い前記平滑用コンデンサの電荷を放電させる際、前記q軸電流の指令値Iq*及び前記d軸電流指令値Id*を、前記電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限して、前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより前記電荷を消費させる放電処理手段を設けたことにある。 【0008】より好ましくは、平滑用コンデンサの電荷を放電せる際、放電処理手段により、前記q軸電流の指令値Iq*を0とし、前記d軸電流指令値Id*を車両挙動が起きない大きさに制限して、前記電動機の巻線に電流を流し、該巻線のインピーダンスにより前記電荷を消費させることを特徴とする。 【0009】ここで、電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさとは、ブレーキの踏まれていない状態で、電動機、したがってこれに直結された車輪が回転せず、あるいは回転トルクで車体がわずかに振動するとしてもその振動を搭乗者が感じない程度の大きさである。 【0010】本発明によれば、Iq軸電流の指令値Iq*及びd軸電流指令値Id*を、電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限するだけでよく、誘起電圧位相との関係など他の条件を考慮する必要がないので、メインコンタクタのオフ時、簡単に平滑用電解コンデンサの電荷放電の制御を行なうことができる。また、平滑用電解コンデンサの電荷を放電する際に、放電経路及びその制御のための検出手段などに異常が発生した時には直ちに放電を中止するので、安全性が向上する。 【0011】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施例における電気自動車の駆動システムの構成を示す図である。図1において、バッテリ1はメインコンタクタ2を介してインバータ3に接続されている。メインコンタクタ2はキースイッチ4のオンオフに連動して開閉される。インバータ3はバッテリ1からの直流電流を交流電力に変換し、電気自動車の車軸に直結された電気自動車駆動用の永久磁石型同期電動機5に供給するものである。メインコンタクタ2とインバータ3の間には直流電力を平滑化するための電解コンデンサ16が設けてありバッテリ1に並列に接続されている。インバータ3は複数のスイッチング素子を有しており、これらのスイッチング素子はマイコン10内の電動機制御手段12によりオンオフ制御される。トルク指令算出手段11は、アクセル9の開度に対応したトルク指令τM*を生成し、このトルク指令τM*は電動機制御手段12に送られる。13はキースイッチのオンオフに基づいて車両の起動停止情報を生成する車両制御手段である。なお、マイコン10内のトルク指令算出手段11、電動機制御手段12、車両制御手段各手段13は、CPUや各種メモリと、これらのメモリに記録保持された制御プログラムやデータ等により構成される。 【0012】永久磁石型同期電動機5の磁極位置は磁極位置センサ6により、永久磁石型同期電動機5の回転角度は回転センサ7により、また電動機電流は電流センサ8によってそれぞれ検出され、電動機制御手段12に送られる。電動機制御手段12は磁極位置センサ6、回転センサ7及び電流センサ8の各検出値とトルク指令算出手段11からのトルク指令τM*を基にPWM信号を生成してゲート回路14に出力する。ゲート回路14によりインバータ3のスイッチング素子がオンオフ制御される。15は電解コンデンサ16の電圧を検知する電圧センサである。メインコンタクタ2は、キースイッチ4のオフ時だけでなく、マイコンやセンサなどに所定の異常が発生したときも、リレー駆動信号によって開放される。 【0013】メインコンタクタ2がオフになると、電動機制御手段12は、永久磁石型同期電動機5の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限して、平滑用コンデンサの電荷を電動機5の巻線を介して放電させる。この放電制御の詳細については、後で述べる。 【0014】図2により電動機制御手段12の処理機能をブロック図で示す。電動機制御手段12は、 3相/2相変換手段121、IdIq電流制御手段122、2相/3相変換手段123、6相PWM出力手段124及び位相演算手段125を備えている。また、回転数演算手段126及び放電処理手段127及びトルク指令をd、q軸に変換するdq軸変換手段128を備えている。dq軸変換手段128は、トルク指令の入力を切り変えるためのスイッチ手段1282を有しており、通常は接点A1、A2を介してトルク指令τM*が入力される。 【0015】メインコンタクタ2のオフに伴い平滑用コンデンサを放電する際には、放電処理手段127がスイッチ手段1282を接点B1、B2に切り替え、Id指令を所定値、例えば−5A、Iq指令を0Aに固定する。従って、通常dq軸変換はトルク指令に基づいてd軸指令Id*とq軸指令Iq*を算出しているが、平滑用コンデンサを放電する際には、トルク指令のId指令を−5A、Iq指令を0Aとして、d軸指令Id*とq軸指令Iq*を算出する。 【0016】電動機制御手段12は、dq軸変換手段128で求めたId*、Iq*と3相/2相変換手段121により変換されたId^、Iq^とにより比例あるいは比例積分電流制御を行い、電圧指令値Vq*、Vd*を算出する。さらに2相/3相変換手段123において座標変換を行い、3相交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換する。6相PWM出力手段124は、3相交流電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*と三角波信号の搬送波信号との比較を行い、PWM信号を生成し、ゲート回路14を介してインバータ3を駆動する。このようにして永久磁石型同期電動機5はPWM制御された電圧を印加することにより、電動機電流Iが電流指令値Id*、Iq*に一致するように制御される。 【0017】129は、電解コンデンサ16の電荷の放電を停止すべき異常はないか判定する異常検出手段であり、磁極位置センサ6、回転センサ7及び電流センサ8の各検出手段の出力が入力される。異常検出手段129は、電解コンデンサ16の放電開始時あるいは放電中に、電動機制御手段12に制御情報を入力している各検出手段の異常を検出した場合、異常検出情報を生成して放電処理手段127による放電を停止させる。異常検出手段129は、電圧センサ15で検知される平滑用電解コンデンサ16の電荷が一定時間下がらないときも、メインコンタクタの遮断が確実に行われていないとして放電を中止する。なお、3相/2相変換手段121、2相/3相変換手段123の各座標変換処理で使用する位相角θは、位相演算手段125において、永久磁石型同期電動機5の誘起電圧と同位相の信号を出力する磁極位置センサ6、回転パルスを出力する回転センサ7の各出力から算出する。 【0018】この磁極位置センサ6の出力信号と回転センサ7の出力信号の位相関係を図3に示す。回転センサ7の回転パルスを累積した位相演算手段125の位相信号は、図3の鋸波状信号に示すように磁極位置センサの出力パルスにより、永久磁石型同期電動機5の誘起電圧と同期される。このようにして、永久磁石型同期電動機5はトルク指令値τM*のトルクで、かつ損失最小の高効率で制御される。 【0019】この時の永久磁石型同期電動機5のベクトル図を図4に示す。永久磁石型同期電動機5の高効率点を得るためのIq*、Id*により最適な進み角β(β=tan−1(Iq*/Id*))で制御される。 【0020】永久磁石型同期電動機の出力トルクは(1)式で示される。 τM=Pn[{E0+(1−ρ)LdId}Iq]・・・・(1) 但し、Pnは定数、ρはLqとLdの比、E0は誘起電圧である。 (1)式において、右辺第1項は同期トルク、第2項はリラクタンストルクと呼ばれている。 【0021】これらのトルクを電動機への印加電圧一定とした場合の、進み角βを横軸としたトルク特性を図5に示す。同期トルク及リアクタンストルクの和が発生トルクτMである。このように(1)式のρが1よりも大きい逆突極特性を持つ同期電動機は進み角βが30〜45度付近で最大トルクを発生するのでこの角度以上で制御される。これにより、電気自動車は駆動される。 【0022】図6に、電気自動車の走行終了時のタイムチャートを示す。電気自動車の走行が終了し、キースイッチ4がオフすると(図6a)これに連動して停止処理が開始され、メインコンタクタ2がオフされる(図6b)。この状態においてバッテリ1からの電力供給は遮断され永久磁石型同期電動機5の駆動は停止する。この時、直流電力を平滑する平滑用電解コンデンサ16にはその静電容量に応じた電荷は蓄積されている。平滑用電解コンデンサ16に電荷が蓄積された状態で電動機制御手段12の電源がオフされると、通常は逆バイアスされているインバータ3のスイッチング素子の入力が過渡的に無制御状態となり、スイッチング素子がオンしてしまい、短絡電流が流れスイッチング素子が破損されてしまう恐れがある。 【0023】そこで、停止処理時におけるこのような事態を放電処理手段127が検知、判定し、平滑用電解コンデンサの電荷を放電するための放電処理を開始する(図6c)。電荷の放電に伴い平滑用電解コンデンサ16の電圧は減少する(図6d)。電解コンデンサ16の電圧が放電完了電圧以下に減少したことを電圧センサ15で感知すると、放電処理を終了する(図6c)。 【0024】放電処理手段127は、平滑用電解コンデンサ16の電荷を放電するために、キースイッチ4のオフとメインコンタクタ2の駆動確認信号の条件により放電電流を設定する。この時の放電電流値は、トルク電流成分のIq*=0Aに、励磁電流成分であるId*に放電電流値を設定することにより、電動機の巻線にId*に対応する電流を流し、巻線のインピーダンスにより消費させる。この場合、(1)式に示されるように、右辺Iq項が0となるため出力トルク=0となり、車両を駆動させないで平滑用電解コンデンサの電荷を放電することができる。このように、電動機の巻線に励磁電流成分のみを流すため、電動機は回転せず、巻線の抵抗による発熱で電力が消費される。 【0025】なお、放電処理手段127は、キースイッチ4がオン状態にある場合でも、安全確保のためにメインコンタクタ2がオフになる場合には、平滑用電解コンデンサ16の電荷を放電するために、同様の放電処理を行なう。 【0026】また、平滑用コンデンサを放電する際のトルク指令のId指令、Iq指令は、電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさに制限すれば足りるので、Iq指令=0Aとする代わりに、例えばIq指令=0.1Aないし0.2Aに固定し、Id指令を−5Aとしてもよい。 【0027】なお、ここで、電動機の巻線に電流を流したとき車両挙動が起きない大きさとは、ブレーキの踏まれていない状態で、電動機、したがってこれに直結された車輪が回転せず、あるいは回転トルクで車体がわずかに振動するとしてもその振動を搭乗者が感じない程度の大きさである。 【0028】ところで、Iq指令=0Aとすれば、電動機にはトルクが発生せず、したがって電動機は回転しないはずである。しかし、実用上は磁極位置センサの性能の限界などの理由により、図7に示すように、電動機の理想的な誘起電圧波形特性による位相と磁極位置センサで検出された位相とにずれ(誤差)ΔPを生じることがある。そのため、d軸にのみ電流を流したつもりでも、実際にはq軸にも電流が流れ、電動機がトルクを発生することがありうる。そこで、Iq指令を0A等の所定値に設定したうえで、かつ、実際の位相が許容誤差の最大値までずれていたとしても、その時に発生する電動機トルクで゛車輪が回転せず、あるいは車体が振動しないように、Id指令の大きさを決定するよう配慮する必要がある。 【0029】さらに、放電中に異常検出手段129が電動機制御手段12に入力している各検出手段の異常を検出した場合、放電を停止する。また異常検出手段129により平滑用電解コンデンサ16の電荷が一定時間下がらない場合を検出したときも、メインコンタクタの遮断が確実に行われていないとして放電を中止する。これらの判定を放電処理手段127により行う。 【0030】放電判定手段127フローチャートの一例を図8に示す。放電処理が開始されると、まず、異常検出手段129で検知された放電を停止すべき異常はないか判定し、異常があれば直ちに放電処理を終了する(802)。放電を停止すべき異常としては、例えば次のようなものがある。 【0031】(a) 電動機の制御が正常に行なえない場合として、インバータのIGBTが故障した場合、電流センサの異常、磁極位置センサ、回転センサの異常などがある。 【0032】(b) 制御を続けると機器を破損させる可能性がある異常として、IGBTの温度異常、電動機の温度異常などがある。 【0033】(c) ハードによってPWMが停止されてしまう異常として、直流過電圧がある。 【0034】次に、放電停止可能回転数か、換言すると電動機が停止しているかあるいは所定の回転数以下かを判定する(804)。これは、電動機が回転している場合、誘起電圧によりコンデンサが充電されてしまう可能性があり、無意味な放電処理を停止させるためである。 【0035】次に、リレーによりメインコンタクタの遮断が完了しているかを確認する(806)。 【0036】次のステップでは、放電処理が終了しているかを判定する(808)。電圧センサ15で検知される平滑用電解コンデンサ16の電荷が一定値以下であれば放電は完了したものとして処理を終了する。 【0037】次に、放電が完了していない場合、トルク電流成分のIq=0A、Id=−5Aに設定すると共に、ゲートブロックを解除する(810)。Iqが0となるため出力トルク=0となり、車両を駆動させないで平滑用電解コンデンサの電荷を放電することができる。 【0038】次のステップでは、放電処理が終了しているかを判定する(812)。電圧センサ15で検知される平滑用電解コンデンサ16の電荷が所定の放電完了電圧以下であれば放電は完了したものとして、次に、放電電流をクリア(Iq=0、Id=0)する(814)。 【0039】電圧センサ15で検知される平滑用電解コンデンサ16の電荷が所定の放電完了電圧より高い場合、放電継続時間が放電規定時間以下かチェックする(816)。もし、平滑用電解コンデンサ16の電荷が一定時間以上下がらない場合、リレーが融ける溶着などによりバッテリが接続されたままになっている可能性があるので、メインコンタクタの遮断が確実に行われていないとして放電を中止する(818)。 【0040】ステップ716で、電圧センサ15で検知される平滑用電解コンデンサ16の電荷が所定の放電完了電圧より低い場合、最初のステップに戻り、以下同様の処理を繰り返す。 【0041】このようにして、車両を駆動しないで平滑用電解コンデンサの放電を行うことができる。 【0042】 【発明の効果】本発明によれば、永久磁石型同期電動機を駆動源とする電気車の制御装置において、車両の固有周波数などの外的要因に左右されることなく、放電時間を簡単に設定して、車両を駆動しないで平滑用電解コンデンサの放電を行うことができる。また、逐次、放電条件を判定することにより、電解コンデンサ放電時の異常動作を検出し、異常があれば放電を停止させることによって、安全性が向上する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】000005108 【氏名又は名称】株式会社日立製作所 【識別番号】000232999 【氏名又は名称】株式会社日立カーエンジニアリング
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| 【出願日】 |
平成10年(1998)4月27日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】 【氏名又は名称】高田 幸彦 (外1名)
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| 【公開番号】 |
特開平11−308704 |
| 【公開日】 |
平成11年(1999)11月5日 |
| 【出願番号】 |
特願平10−116359 |
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