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【発明の名称】 電気車の制御装置
【発明者】 【氏名】金子 貴志

【氏名】堀江 哲

【氏名】寺澤 清
【要約】 【課題】空転を精度よく検知することにより、空転の誤検知に伴う電気車の加速度の低下を防止する。

【解決手段】電気車を駆動する複数の電動機を複数の制御ユニットで分割して制御する電気車の制御装置において、各電動機の回転速度から電動機間の回転速度の平均速度を演算する手段と、平均速度と各電動機の回転数との比から各電動機軸に結合された車輪の車輪径差補正量を演算する手段と、該車輪径差補正量と前記平均速度とから各制御ユニットにおける再粘着制御の基準となる基準速度を演算する手段と、各制御ユニット毎に前記平均速度と制御する電動機の回転速度に基づいて車輪の空転を検知する手段と、該空転の検知の出力により各制御ユニット毎に前記基準速度と制御する電動機の回転速度との差分に応じて電動機のトルクを絞る再粘着制御手段とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】電気車を駆動する複数の電動機を、それぞれの電動機における検出した回転速度に基づき可変電圧可変周波数の交流を出力する電力変換器からなる複数の制御ユニットで分割して制御する電気車の制御装置において、前記各電動機の回転速度から電動機間の回転速度の平均速度を演算する手段と、前記平均速度と各電動機の回転速度との比から各電動機軸に結合された車輪の車輪径差補正量を演算する手段と、該車輪径差補正量と前記平均速度とから各制御ユニットにおける再粘着制御の基準となる基準速度を演算する手段と、各制御ユニット毎に前記平均速度と制御する電動機の回転速度に基づいて前記車輪の空転を検知する手段と、該空転の検知の出力により各制御ユニット毎に前記基準速度と制御する電動機の回転速度との差分に応じて電動機のトルクを絞る再粘着制御手段とを備え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において、前記平均速度を演算する手段は、該手段で演算される平均速度と各電動機の回転速度からその検出器の故障及び空転状態にある電動機を識別し、この電動機を除外した他の電動機の回転速度から前記平均速度を演算す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において、前記基準速度演算手段から前記各制御ユニットに出力する基準速度の信号をシリアル通信で伝送する伝送線で接続したことを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項４】直流を交流に変換する電力変換器の出力に１台又は複数台の電気車の車輪を駆動する電動機からなる駆動ユニットを複数備えてなる電気車の制御装置において、前記各電動機の回転速度を検出する手段と、該検出した各電動機の回転速度より少なくとも隣接する前記複数の駆動ユニット間で駆動される電動機の平均速度を演算する手段と、前記平均速度と前記各駆動ユニット内の各電動機の回転速度との比較より車輪が空転する電動機を検知する手段と、該検知された空転する電動機を駆動する電力変換器の出力を絞る再粘着手段とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機の回転速度に応じて電気車の車輪と軌道面間に発生する空転を検知して再粘着させるためのトルク制御を行う電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気車の車輪の空転を検知してトルクを絞る再粘着制御を行う方法が例えば特開平7−177610 号公報に記載されている。同公報に記載の空転検知方法は、複数の電動機をそれぞれ個別にインバータ制御するシステムにおいて、力行時運転では各電動機の回転速度の中から最小のものを列車の絶対速度と推定し、各インバータでは自軸の電動機の回転速度とこの最小回転速度との差が所定値より大きい時に空転が発生しているとみなしトルクを絞る制御を行うものである。
【０００３】また、特開平7−227008 号公報には、電力変換装置のインバータの出力に並列接続されている複数の電動機の回転速度の平均値を求め、その平均値よりインバータの出力を制御することで、空転が発生してもさせることができるとの記載がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平7−177610 号公報に記載の空転検知方法では、回転速度が最小となる電動機軸の回転速度が推定列車速度とされ、車輪径差が発生している場合には常に最大車輪径の電動機軸の回転速度が推定列車速度となるため、次の様な問題が発生する。即ち、車輪径差発生時には、定常的に自軸の回転速度と推定列車速度に差が発生するため、精度の良い空転検知が期待できない。又、最大車輪径の電動機軸に空転が発生すると推定列車速度が変動するため、この時に他の電動機軸で空転が発生した場合にそれを正しく検知できなくなる可能性がある。このような車輪径差の問題を解決するために上記特開平7−177610 号公報記載の方法に車輪径差を補正する機能を追加することが考えられるが、各電動機軸の回転速度の最小値を推定列車速度とすると、例えば列車がレール継目やポイントを通過した際や空転した車輪が再粘着する時など、瞬間的にある１つの電動機軸の回転速度が他の軸の回転速度を下回るような場合にこの電動機軸の回転速度が推定列車速度とされるため、残りの電動機軸を制御している他のインバータが空転を誤検知してトルクを絞ってしまう可能性がある。その他、ある電動機軸の速度検出器が故障して出力が出なくなった場合にも、速度検出器の故障が検知されるまでの時間、この故障軸の回転速度が推定列車速度となり、残りの電動機を制御する他のインバータで空転を誤検知し、トルクを絞り込んでしまい、電気車の加速が低下することになる。
【０００５】上記のように各電動機軸の回転速度の最小値を推定列車速度とした場合、車輪径差発生時に精度よく空転検知ができなかったり、ポイントやレール継目通過時，速度検出器の故障時には空転を誤検知して加速不良となる問題がある。
【０００６】また、上記特開平7−227008 号公報の記載による制御では、インバータの出力に接続される電動機の並列台数によって再粘着制御に大きく影響を受けると考えられる。すなわち、並列台数が少ない場合には、１台の電動機の空転によって平均値の変化の度合いとして顕著に現れるが、並列台数が多くなると鈍くなる。したがって、並列台数が多い場合には１台の電動機で駆動される車輪の再粘着が完全に行われず、他の車輪に空転が波及し、電気車の加速が低下することが懸念される。
【０００７】本発明の目的は、電気車を駆動する複数の電動機を、可変電圧可変周波数の交流を出力する電力変換器からなる複数の制御ユニットで分割して制御する電気車の制御装置において、電気車の空転を精度よく検知することで、空転の誤検知に伴う電気車の加速度の低下を防止した電気車の制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、上記電気車制御装置に、各電動機の回転速度から電動機間の回転速度の平均速度を演算する手段と、平均速度と各電動機の回転数との比から各電動機軸に結合された車輪の車輪径差補正量を演算する手段と、該車輪径差補正量と前記平均速度とから各制御ユニットにおける再粘着制御の基準となる基準速度を演算する手段と、各制御ユニット毎に前記平均速度と制御する電動機の回転速度に基づいて車輪の空転を検知する手段と、該空転の検知の出力により各制御ユニット毎に前記基準速度と制御する電動機の回転速度との差分に応じて電動機のトルクを絞る再粘着制御手段とを備えることにより達成できる。
【０００９】さらに、前記平均速度を演算する手段は、該手段で演算される平均速度と各電動機の回転速度からその検出器の故障及び空転状態にある電動機を識別し、この電動機を除外した他の電動機の回転速度から前記平均速度を演算することにより達成できる。
【００１０】これにより、電気車が加速している時にある電動機軸で空転が発生した場合、それを除き残りの電動機軸の回転数から平均速度を演算するのでその変化は少なく、平均速度から演算される基準速度はほぼ列車速度に等しくなる。よって空転の発生している電動機軸を制御する制御ユニットでは、自軸の回転速度が基準速度を所定の値以上上回ったら、その電動機軸は空転しているとみなしトルクを絞る制御を行い、車輪を再粘着に向かわせることができる。万一、トルクの絞り量が不足し、空転量が増大し平均速度までもが上昇しようとした場合にでも、空転の発生している電動機軸速度を平均速度演算から除外することで、基準速度が列車速度からずれるのを防止し、確実に車輪を再粘着へと向かわせることができる。
【００１１】また、ある電動機軸で速度検出器に異常が発生した場合にでも、他の軸の回転速度と比較することでその軸の異常を認識し、故障の発生している電動機軸の速度を平均速度演算から除外し、各制御ユニットが空転を誤検知するのを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１を用いて説明する。図１は、電力変換器であるインバータにより直流電力を三相交流電力に変換し三相誘導電動機を駆動する電気車両の制御装置において本発明を実現した例であり、電気車の車輪を駆動する誘導電動機１台を１台の制御ユニットで制御する駆動ユニットを電気車として複数備えたものであり、図１では駆動ユニットとして４つの場合を示している。
【００１３】図１において、制御ユニット１では、運転台１７から出される力行指令Ｐ又はブレーキ指令Ｂ，誘導電動機１１に連動した速度検出器５から得られる回転速度ｆｒ１により電流指令演算器２５で励磁電流指令Ｉｄとトルク電流パタンＩｑｐを作成する。このＩｑｐと空転・滑走制御器９から得られるトルク電流制御量ΔＩｑｐの差をＩｑとし、このＩｑと回転速度ｆｒ１，電流検出器２９，３０，３１から得られる三相誘導電動機の電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをベクトル制御演算器２６に入力し、ここで作成した電圧指令をＰＷＭ信号演算器２７に入力しゲート信号を作成する。ＰＷＭインバータ２８ではこのゲート信号をインバータの主回路を構成するＩＧＢＴ等の自己消弧形素子に与え、直流電源１９からフィルタコンデンサ２０を介して得られる直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換し誘導電動機１１を駆動する。制御ユニット２〜４においても制御ユニット１と同様に誘導電動機１２〜１４をそれぞれ制御する。
【００１４】基準速度演算器１０では、平均速度演算器１６にて誘導電動機１１〜１４の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４の平均速度fraveを演算するとともに、平均速度fraveと車輪径差補正量演算器１５からの出力Ｋ１〜Ｋ５に基づき基準速度frave1〜frave4を演算し制御ユニット１〜４にそれぞれ出力する。
【００１５】尚、平均速度演算器１６と車輪径差補正量演算器１５及び各制御ユニットにおける空転・滑走制御器９の詳細な構成については図２〜図４を用いて後述する。ここで、制御ユニット１における動作として、誘導電動機１１に結合された車輪で空転又は滑走が発生した場合について説明する。空転・滑走制御器９において、電動機軸の回転速度ｆｒ１，基準速度演算器１０から得られた基準速度frave1，力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂ，トルク電流パタンＩｑｐからトルク電流制御量ΔＩｑｐが演算される。そのトルク電流制御量ΔＩｑｐは減算器３２に出力され、減算器３２の出力Ｉｑを減少させることで車輪を再粘着へと向わせる。尚、図示していないが、誘導電動機１２〜１４に結合された車輪で空転・滑走が発生した場合についても同様に各制御ユニット２〜４が動作し、車輪を再粘着へと向わせる。
【００１６】ところで、図１では誘導電動機１台を制御ユニット１台で制御し、計４台の誘導電動機の回転速度から基準速度を演算する例を示したが、制御ユニット１台で制御する誘導電動機の台数は複数でもよく、また、基準速度を演算する誘導電動機の数も４台である必要はなく、基準速度演算器は誘導電動機の台数だけ回転速度の入力部，基準速度の出力部を備えれば良い。
【００１７】図２は図１における平均速度演算器１６の一実施例を示したものである。回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４はそれぞれ空転・故障判定器３４〜３７へ入力され、平均速度frave と比較して両者の差が所定の値以下であればその電動機軸は正常とみなし、空転・故障判定器３４〜３７は“１”を出力する。カウンタ３８では、空転・故障判定器３４〜３７の中で“１”を出力している空転・故障判定器の数をカウントする。切換器４８〜５１では、空転・故障判定器３４〜３７が“１”を出力している電動機軸については回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４のを加算器６３に出力し、“０”を出力している電動機軸については「０」という値を加算器６３に出力する。除算器７０では、加算器６３の出力値をカウンタ３８の出力値で割った値を平均速度frave として出力する。例として図１における誘導電動機１３に結合された車輪で空転が発生した場合、その回転速度ｆｒ３は平均速度frave よりも大きな値となので、空転・故障判定器３６の出力を“０”とする。他の車輪では空転が発生していないので他の空転・故障判定器出力はいずれも“１”であり、カウンタ３８は「３」という値を出力する。一方、加算器６３では切換器５０からの入力のみ「０」となるので、「ｆｒ１＋ｆｒ２＋ｆｒ４」を除算器７０に出力する。よって除算器７０では空転の発生している回転速度ｆｒ３を除外した他の回転速度から求めた平均速度「（ｆｒ１＋ｆｒ２＋ｆｒ４)／３」をfraveとして出力する。
【００１８】又、乗算器６６〜６９では平均速度frave に車輪径差補正量演算器１５の出力である車輪径差補正係数Ｋ１〜Ｋ４を掛けた値をそれぞれ切換器５２〜５５に出力する。切換器５２〜５５では車輪径補正完了信号Ｋ５が“１”である場合は車輪系差補正係数が有効であるとみなし、乗算器６６〜６９の出力値を基準速度frave１〜frave４として出力する。車輪径補正完了信号Ｋ５が“０”である場合は車輪系差補正係数が無効であるとして、各電動機軸の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４をそのまま基準速度frave１〜frave４として出力する。
【００１９】このように本実施例によれば、各電動機軸の平均速度を車輪径差を考慮した基準速度として各インバータに出力し、ある軸で空転，滑走，速度検出器故障が発生した場合には、その軸の回転速度を平均速度演算から除外することができ、列車速度に等しい値を基準速度としてインバータに出力することができる。
【００２０】図３は図１における車輪径差補正量演算器１５の一実施例を示したものである。除算器７１〜７４では各電動機軸の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４を平均速度fraveで割った値を保持器７５〜７８にそれぞれ出力する。車輪径補正可否判定器８２では、力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂ，frave により車輪径差補正を行って良いかどうか判定する。力行又はブレーキ中での回転速度が低い時には、車輪径差補正係数が正しく計算されない可能性があるので、例えば、力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂが無く、fraveが所定の値を超えていて、且つfraveの変化率が所定の値以下である時、車輪径補正可否判定器は“１”を出力するようにする。保持器７５〜７８では、車輪径補正可否判定器８２からの入力が“１”の時車輪径補正が可能とみなし、除算器７１〜７４からの入力値をそのままリミッタ８３〜８６に出力し、車輪径補正可否判定器８２からの入力が“０”の時は、“１”から“０”となる直前の除算器７１〜７４からの入力値を保持してリミッタ８３〜８６に出力する。リミッタ８３〜８６は保持器７５〜７８からの入力値に対して絶対値及び変化率をリミットするもので、車輪径差補正データが有り得ない値になったり、値が変動するのを防止する。オンディレイ７９は車輪径補正可否判定器８２の出力が“１”になってからＫ１〜Ｋ５の値が確定するまでの所定の時間を待ってフリップフロップ８７のセット入力に“１”を出力し、フリップフロップ８７の出力Ｋ５は“１”で保持される。この車輪径補正完了信号Ｋ５が“１”になって初めて図２で説明した各電動機軸の回転速度の平均速度が車輪径補正されて各インバータに基準速度として出力され、正しく車輪径補正されていない速度を各インバータに送るのを防止する。
【００２１】図４は図１における空転・滑走制御器９の一実施例を示したものである。同制御器の出力ΔＩｑｐは、加算器６４により２つの信号ΔＩｑｐ１，ΔＩｑｐ２を加算されたものからなり、切換器５６，５９，６２は力行，ブレーキ指令信号Ｐ，Ｂにより切換えられる。
【００２２】減算器６５では、自軸の回転速度ｆｒ１と基準速度演算器１０より得られた基準速度frave1の差分量Δｆが求められ、その差分量は比較器９１，９２，トルク電流絞り量演算器９５，９６に入力される。トルク電流絞り量演算器９５では差分量Δｆの大きさに応じて空転した車輪を再粘着させるために必要なトルク電流絞り量を演算して切換器６０に出力し、トルク電流絞り量演算器９６では差分量Δｆの大きさに応じて滑走した車輪を再粘着させるために必要なトルク電流絞り量を演算して切換器６１に出力する。空転発生時には比較器９１の入力値である差分量Δｆが正の所定の値を超えた時に空転と判定し“１”を出力することで、トルク電流絞り量演算器９５の出力値を切換器６２に出力する。滑走時には比較器９２で差分量Δｆが負の所定の値を下回った時に滑走と判定し“１”を出力することで、トルク電流絞り量演算器９６の出力値を切換器６２に出力する。切換器６２は、力行時にはトルク電流絞り量演算器９５の出力値を、ブレーキ時にはトルク電流絞り量演算器９６の出力値を加算器６４に出力する。
【００２３】ここで問題となるのが図２，図３にて説明した車輪径補正が完了するまでに空転，滑走が発生した場合や全電動機軸が同時に空転，滑走した場合の動作である。車輪径補正未完時は前述のように基準速度frave1として自軸の回転速度ｆｒ１がそのまま入力されるので、空転又は滑走が発生しても差分量Δｆは「０」のままで比較器９１，９２の出力も“０”となり空転，滑走を検知できない。又、全電動機軸で同時に空転，滑走が発生した場合にも差分量Δｆが「０」となり同様に空転，滑走を検知できない。しかし、図４の実施例ではこのような場合にでも空転，滑走が発散することのないように、バックアップとして回転速度の時間変化により空転，滑走を検知する手段を併せ持っている。
【００２４】すなわち、回転速度ｆｒ１を微分器８８に入力し回転速度の微分値ｆｒ′１を求め、切換器５６により力行時は比較器８９へ、ブレーキ時は比較器９０へ入力する。空転が発生した場合、比較器８９では微分値ｆｒ′１が所定の値を超えた時空転と判定しオフディレイ８０を介して切換器５７へ“１”を出力する。オフディレイ８０は、比較器８９において回転速度の微分値ｆｒ′１が所定の値を下回ってから実際に車輪が再粘着するまでに多少時間を要するため、この再粘着までの時間を確保するものである。トルク電流絞り量演算器９３では、トルク電流パタンＩｑｐ，回転速度ｆｒ１，微分値ｆｒ′１，比較器８９の出力に基づきトルク電流絞り量を演算し、切換器５７，５９を介して加算器６４へ出力する。滑走時においても空転時と同様比較器９０で滑走判定し、トルク電流絞り量を演算して切換器５８，５９を介して加算器６４へ出力する。加算器６４では前述の基準速度によるトルク電流制御量ΔＩｑｐ１と回転速度の微分値によるトルク電流制御量ΔＩｑｐ２を加算した結果をトルク電流制御量ΔＩｑｐとして出力する。ここで、基準速度によるトルク電流制御量ΔＩｑｐ１は、自軸の回転速度と基準速度との差分量、即ち空転，滑走の大きさに応じた制御量であり、トルクの有効利用の面で優れた制御量となる。よって通常は基準速度によるトルク電流制御量ΔＩｑｐ１のみで空転，滑走制御できるように比較器８９，９０のセット値を設定し、ΔＩｑｐ１のバックアップ制御量としてΔＩｑｐ２が出力されるようにする。
【００２５】図５は図１〜図４の実施例における動作を示した図である。図５は時刻Ｔ１からＴ２にかけて電気車がレール継目を通過し、時刻Ｔ３で第１の電動機軸に結合された車輪で空転が発生した場合の動作図である。なお、ここでは説明を簡単にするために各電動機軸に結合された車輪はいずれも同一径としている。
【００２６】図中の基準速度frave1に波線で追加したのは従来技術による場合の動作図で、各電動機軸の回転速度の最小値を推定列車速度としているため、時刻Ｔ１からＴ２にかけてのレール継目通過時に推定列車速度が大きく変動するのに対し、本発明によれば基準速度frave1は各電動機軸の平均値演算により得られるので、レール継目通過の影響が殆ど現れない。時刻Ｔ３で第１の電動機軸に空転が発生すると、回転速度ｆｒ１が急上昇し基準速度との差分量Δｆが発生する。この差分量が図４における比較器９１のセット値Ｌｖを超えると空転とみなし、この差分量Δｆの大きさに応じたトルク電流制御量ΔＩｑｐが出力されトルク電流指令Ｉｑが減少して車輪を再粘着に向かわせる。一方、第１の電動機軸に空転が発生したことで、各電動機軸の平均速度により演算される基準速度frave1が時刻Ｔ３以降列車速度から離れていこうとするが、図２の空転・故障判定器３４〜３７の作用によりこの軸の空転を認識し、時刻Ｔ４以降車輪が再粘着する直前の時刻Ｔ５までの間は回転速度ｆｒ１は平均値演算から除外され、基準速度は列車速度にほぼ等しい値で保たれる。このようにある電動機軸で空転が発生しても列車速度ＶＥＬを見失うことがないので時刻Ｔ６において車輪を再粘着させることができることがわかる。
【００２７】図６は本発明の第二の実施例であり、図１の実施例と異なるところは、図１における運転台から制御ユニット１〜４に送る力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂ及び制御ユニット１〜４と基準速度演算器１０の間の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４，基準速度frave1〜frave４ のやりとりをシリアル通信化したことにある。図６において運転台からの力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂはシリアル通信変換器１０５に入力され、シリアル通信変換器Δｆ〜１０４を介して制御ユニット１〜４に送られる。また、誘導電動器１１〜１４の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４はそれぞれシリアル通信変換器Δｆ〜１０４に入力され、シリアル通信変換器１０５を介して基準速度演算器１０に出力される。基準速度演算器１０では図１の場合と同様に基準速度frave1〜frave4を演算し、シリアル通信変換器１０５を介してシリアル通信変換器Δｆ〜１０４へそれぞれ出力する。制御ユニット１〜４ではシリアル通信変換器Δｆ〜１０４から入力された力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂ，基準速度frave1〜frave4，自軸の回転速度ｆｒ１〜ｆｒ４に基づき誘導電動機１１〜１４をそれぞれ制御する。
【００２８】このように本実施例によれば、各制御ユニットと基準速度演算器の間の速度情報のやりとりをシリアル通信化することで、システム全体として信号線の削減が図れる他、１台の制御ユニットが制御する誘導電動機の台数が増加してもシステムの拡張が容易になるという効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、各電動機軸速度の平均速度から求められる基準速度と自軸の速度差から空転を精度よく検知することができるので、空転の誤検知に伴う電気車の加速度の低下を防止することができる。
【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１１年１１月１６日（１９９９．１１．１６）
【代理人】 【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
【公開番号】 特開２００１−１４５２０７（Ｐ２００１−１４５２０７Ａ）
【公開日】 平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】 特願平１１−３２５０３７