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【発明の名称】 電気車の制御装置および制御方法、並びにそれを用いた電気車
【発明者】 【氏名】▲高▼橋 信好

【氏名】前原 健一

【氏名】山田 博之

【氏名】豊田 英雄
【要約】 【課題】電動機の電流・電圧等から駆動輪のスリップ発生を検出するシステムにおける、制御プログラムの設定負担を低減する。

【解決手段】チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電動機の電流検出値に基づいて電流制限値を設定し、その電流制限値を超えない範囲で、チョッパ通流率を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】チョッパ制御される電動機を有する電気車の制御装置であって、前記電気車の加速時において、前記チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電動機の電流検出値を超えない範囲で、前記チョッパの通流率を制御する電気車の制御装置。
【請求項２】チョッパ制御される電動機を有する電気車の制御方法であって、前記電気車の加速時における前記チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電動機の電流検出値に基づいて電流制限値を設定し、前記設定した電流制限値を超えない範囲で前記チョッパの通流率を制御する電気車の制御方法。
【請求項３】チョッパ制御される電動機を有する電気車の制御装置であって、前記電気車の加速時に、前記電動機電流が上昇しその後下降した後であって前記電動機の回転数とトルクが釣り合った時点の前記電動機の電流検出値に基づいて電流制限値を設定し、前記電動機電流が前記電流制限値を超えない範囲で前記チョッパの通流率を制御する電気車の制御装置。
【請求項４】チョッパ制御される電動機を有する電気車の制御装置であって、前記電気車の加速時において、前記チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電動機の電流検出値に基づいて電流制限値を設定し、前記電流制限値が設定されてから所定の時間は前記電動機電流が前記電流制限値を超えないように前記チョッパの通流率をフィードバック制御する電気車の制御装置。
【請求項５】チョッパ制御される電動機と、前記電動機の電流を検出する電流検出器と、運転者の加速指示を検出するアクセルと、少なくとも前記アクセルの操作信号および前記電流検出器の信号を入力として前記電動機を制御する制御装置と、を有する電気車であって、前記制御装置は、前記アクセルからの加速指示を検出した場合において、前記チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電流検出器の電流検出信号を電流制限値として設定すると共に、前記電流制限値を超えない範囲で前記チョッパの通流率を制御するものである電気車。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チョッパ制御される電気車の制御装置に係り、特に、駆動輪のスリップ低減に好適な電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の装置として、駆動輪と従動輪の回転差や、車両速度変化率から駆動輪のスリップ発生を検出するものがある。この技術に関する記載例としては、特開平３−６０３０２号公報や、特開平８−１１６６０６号公報がある。
【０００３】しかしこれらの装置においては、駆動輪または従動輪の回転数を検出するセンサ等を設ける必要があるため、センサ及び、その配線と入力回路の増設によるコストアップが問題となる。そこで電動機の電流と電動機の電圧との比率や、電動機の電流と電動機の電圧との比率の変化量等、制御装置内部で検出できるデータを基に、駆動輪のスリップ発生を検出する。これにより、回転数を検出するためのセンサ等を車両に増設せずに済む。この技術に関する記載例としては、特開平１１−３５５９１６号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スリップ発生の検出に際しては、路面状況，車両重量，車両の違いを考慮することにより、より効果的に運転操作性を向上することが可能である。しかし、上記従来例でこれらの要因に対応するのは、以下の理由により困難であった。
【０００５】すなわち、電動機の電流と電動機の電圧との比率等から駆動輪のスリップ発生を検出するためには、予め想定した路面状況や車両重量等に応じて、適切な判定レベルを設定しておく必要があり、また、想定する条件が多岐にわたる場合は、判定レベルの設定が困難であり、然も、車両が変わる度に再設定する必要がある等実験や計算に多大な時間と労力を要していた。
【０００６】本発明の目的は、上記判定レベル設定に要する時間や労力を低減し、効果的に駆動輪のスリップ低減が可能な電気車制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、チョッパ制御される電動機の加速時において、チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時の前記電動機の電流検出値に基づいて電流制限値を設定し、その電流検出値を超えない範囲で、チョッパ通流率を制御することにより達成される。
【０００８】チョッパの通流率が所定の値に達した時点から所定の時間を経過した時とは、好ましくは前記電動機電流が上昇しその後下降した後であって前記電動機の回転数とトルクが釣り合った時点である。
【０００９】また通流率の制御は、好ましくは電流制限値が設定されてからスリップが終了するまでの時間、前記チョッパの通流率をフィードバック制御することである。ここでスリップの終了時間は、好ましくは実験等で得られたデータに基づいてあらかじめ設定する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態をなす回路構成図である。図１において、１はバッテリ、２，３はヒューズ、４はキースイッチ、５は定電圧回路、６はＲＯＭ、７はマイコン（マイクロコンピュータ）、８はフライホイールダイオード、９はプラギングダイオード、１０は電流センサ、１１は駆動用電動機、１１ａは電機子巻線、１１ｂは界磁巻線、１２は前進コンタクタ、１２ａは前進コンタクタコイル、１３は後進コンタクタ、１３ａは後進コンタクタコイル、１４はチョッパ用トランジスタ、１５はアクセル、１６は前後進切換スイッチ、１７は通流率制限用可変抵抗器、１８，１９，２０，２１，２２は入力回路、２３，２４，２５は出力回路、２６は前進コンタクタ駆動トランジスタ、２７は後進コンタクタ駆動トランジスタである。
【００１１】次に、本実施形態の動作について説明する。
【００１２】まず、キースイッチ４をＯＮすると、定電圧回路５が動作し、マイコン７に電源が供給される。マイコン７は、予めＲＯＭ６に記憶されているプログラムに従って処理を開始する。
【００１３】以下、マイコン７による処理を図２に示すフローチャートにより説明する。
【００１４】マイコン７が処理を開始すると、まず最初に初期設定処理１０１が実行され、マイコン７の動作に必要なデータの設定、後述の各処理で用いる変数のクリア等が行われる。
【００１５】次に、入力処理１０２において、バッテリ１からヒューズ３，キースイッチ４，入力回路１８を介して検出されるバッテリ電圧Ｖｂと、電流センサ１０から入力回路１９を介して検出される電動機電流Ｉｍと、アクセル１５から入力回路２０を介して検出されるアクセル信号Ａｃｃと、前後進切換スイッチ１６から入力回路２１を介して検出される前後進信号ＦＲＳＷと、通流率制限用可変抵抗器１７から入力回路２２を介して検出される通流率制限信号ＶＲを入力する。
【００１６】続いて、スリップ制御処理１０３，走行制御処理１０４が順次実行される。
【００１７】最後に、キースイッチ検出処理１０５により、バッテリ電圧Ｖｂからキースイッチ４のＯＮ，ＯＦＦを判定し、キースイッチ４がＯＮの間は、上記入力処理１０２以降を繰り返し実行し、キースイッチ４がＯＦＦになると処理を終了する。
【００１８】スリップ制御処理１０３における動作を図３に示すフローチャートにより説明する。
【００１９】まず、処理２０１にて、チョッパ用トランジスタ１４の通流率Ｄｃｈと、後述の処理３０７で設定される最大通流率Ｄｍａｘとの比較が行われる。ＤｃｈがＤｍａｘより小さい場合、処理２０７によりタイマーＴＭＲ１がクリアされる。ＤｃｈがＤｍａｘ以上の場合、処理２０２によりＴＭＲ１が時間１５０ｍｓと比較される。ＴＭＲ１が１５０ｍｓよりより小さい場合、処理２０６にてＴＭＲ１に１が加算される。ＴＭＲ１が１５０ｍｓになると、処理２０３,２０４,２０５が実行される。
【００２０】処理２０３では、電動機電流Ｉｍを電流検出値Ｉｍｏに設定する。
【００２１】処理２０４では、関数ｆ１により電流検出値Ｉｍｏから係数Ｋを設定する。Ｋは後述の処理２１３で用いる。関数ｆ１の特性を図４に示す。
【００２２】処理２０５では、関数ｆ２により電流検出値Ｉｍｏから電流勾配ΔＩを設定する。ΔＩは後述の処理２１４で用いる。関数ｆ２の特性を図５に示す。
【００２３】上記各処理により、通流率Ｄｃｈが最大通流率Ｄｍａｘに達してから、１５０ｍｓ経過した時の電動機電流Ｉｍが電流検出値Ｉｍｏとして設定される。Ｉｍｏ，Ｋ，ΔＩの設定は、スリップ発生の有無に関わらず、上記の条件が成立する度に実行される。
【００２４】ここで、タイマーＴＭＲ１による１５０ｍｓという時間は、特に限定するものではなく、５０ｍｓ〜３００ｍｓ程度の範囲で適宜設定すれば良い。但し、スリップ低減時におけるフィーリングに影響するため、搭載される車両や組み合わせる電動機に応じて、実験や計算により決定することが望ましい。尚、この時間は、図１１における時間Ｔに相当する。
【００２５】次に、処理２０８により、電流検出値Ｉｍｏが設定されたか否かを判断する。
【００２６】Ｉｍｏが設定されていない場合は、処理２０９，２１０によって、タイマーＴＭＲ２をクリアすると共に、チョッパ用トランジスタ１４の許容電流から決まる最大制御電流Ｉｍａｘを電流制限値Ｉｓとして設定する。
【００２７】Ｉｍｏが設定された場合、処理２１１によりＴＭＲ２が時間５００ｍｓと比較される。ＴＭＲ２が５００ｍｓよりより小さい場合、処理２１２にてＴＭＲ２に１が加算され、処理２１３により、Ｉｍｏに係数Ｋを乗算した値がＩｓに設定される。ＴＭＲ２が５００ｍｓになると、処理２１４が実行され、Ｉｓに電流勾配ΔＩを加算した値がＩｓに設定される。Ｉｓは、処理２０４，２０５によりＩｍａｘ以下に制限される。
【００２８】通流率Ｄｃｈが最大通流率Ｄｍａｘ、または後述の処理３０６で設定される通流率指令Ｄｓの何れかに達すると、処理２１７，２１８の判定により処理２１９が実行され、Ｉｍｏがクリアされる。これにより、次回からＩｍｏが設定されるまでの間は、処理２０８の判定により、処理２０９，２１０が実行される。
【００２９】上記各処理により、電流制限値Ｉｓは、電流検出値Ｉｍｏが設定された時点から５００ｍｓ間、Ｉｍｏに係数Ｋを乗算した一定の値に保持され、その後は、電流勾配ΔＩにより徐々に増加する動作となる。
【００３０】ここで、タイマーＴＭＲ２による５００ｍｓという時間は、特に限定するものではないが、Ｉｓの設定によりスリップが止まるまでの時間を確保する必要がある。
【００３１】図４において、Ｉｍｏが小さい領域ではＫの設定値を下げているが、これは、凍結路等の極めて滑りやすい路面でスリップが発生した場合を考慮したものである。電流制限値Ｉｓを小さく設定することにより、スリップが止まるまでの時間を短くする（駆動用電動機１１の回転数低下を早める）効果がある。
【００３２】図５において、電流勾配ΔＩは、毎秒当たりの増加量が最大制御電流Ｉｍａｘと等しい値を１００％としている。つまり、１５％は、約６.７ｓ でＩｍａｘに達する程度の緩やかな電流勾配である。
【００３３】尚、ΔＩによる電流制限値Ｉｓの増加は、本来の目的であるスリップ低減には関係ないが、スリップが止まった後の加速フィーリングを良くするためには、極めて有効である。ΔＩは、搭載される車両や組み合わせる電動機に応じた設定が必要となるため、制御装置の汎用性を優先する場合は、処理２１３による設定のままとしても良い。その場合、処理２０５，２１４，２１５，２１６は不要となる。但し、Ｄｃｈが低下する前に、処理２１７の判定により処理２１９が実行されるのを防ぐため、タイマーＴＭＲ２は必要である。スリップが止まるまでの時間ではなく、後述の処理３０８により通流率Ｄｃｈが最大通流率Ｄｍａｘ未満になるまでの時間（例えば１０ｍｓ）を確保すれば良い。
【００３４】また、図４において、係数Ｋは上限１００％となっているが、これを小さく（例えば９０％）すると共に、上記タイマーＴＭＲ１による時間１５０ｍｓを短く（例えば１００ｍｓ）しても良い。この場合、図１１に示すスリップ期間が短縮され、スリップ低減効果が上がる。但し、スリップが発生しない通常の加速時（図１０の点Ｄ付近）においても、一瞬電流が低下するため、実用性を考慮した上で、実験や計算により決定することが望ましい。
【００３５】次に、走行制御処理１０４における動作を図６に示すフローチャートにより説明する。
【００３６】まず、処理３０１により、前後進信号ＦＲＳＷの判定が行われる。ＦＲＳＷが前進の場合は、処理３０４により前進コンタクタ駆動ポートＦＣへＯＮ信号を出力し、後進コンタクタ駆動ポートＲＣへＯＦＦ信号を出力する。ＦＣへ出力されたＯＮ信号により、出力回路２４を介して前進コンタクタ駆動トランジスタ２６がＯＮし、前進コンタクタコイル１２ａが通電され、前進コンタクタ１２がＯＮする。ＦＲＳＷが後進の場合は、処理３０３によりＦＣへＯＦＦ信号を出力し、ＲＣへＯＮ信号を出力する。ＲＣへ出力されたＯＮ信号により、出力回路２５を介して後進コンタクタ駆動トランジスタ２７がＯＮし、後進コンタクタコイル１３ａが通電され、後進コンタクタ１３がＯＮする。ＦＲＳＷが中立の場合は、処理３０２によりＦＣ、及びＲＣへＯＦＦ信号を出力し、前後進コンタクタ１２，１３をＯＦＦする。更に、処理３０５により、電流制限値Ｉｓと通流率指令Ｄｓを０に設定すると共に、電流検出値Ｉｍｏをクリアする。
【００３７】前後進コンタクタ１２，１３を切り換えることにより、駆動用電動機１１の界磁巻線１１ｂに流れる電流の向きを変え、回転方向（車両の前後進）を切り換える。
【００３８】ＦＲＳＷが前進、または後進の場合は、処理３０６が実行され、関数ｆ３によりアクセル信号Ａｃｃから通流率指令Ｄｓが設定される。Ｄｓは、アクセル操作に応じたチョッパ制御を行うための指令値である。関数ｆ３の特性を図７に示す。
【００３９】次に、処理３０７が実行され、関数ｆ４により通流率制限信号ＶＲから最大通流率Ｄｍａｘが設定される。Ｄｍａｘは、車速制限機能を持たせたチョッパ制御を行うための指令値である。関数ｆ４の特性を図８に示す。
【００４０】次に、フィードバック処理３０８において、図９のフローチャートに示すように、電動機電流Ｉｍが電流制限値Ｉｓに達するまでは、通流率Ｄｃｈが通流率指令Ｄｓ、または最大通流率Ｄｍａｘの何れか小さい方の値に達するまでＤｃｈを増加させる。ＩｍがＩｓに達した場合は、ＤｃｈがＤｓ、またはＤｍａｘに達していなくても、Ｄｃｈの増加を止め、ＩｍがＩｓを超えないようにＤｃｈの増減を行う。
【００４１】次に、チョッパ信号出力処理３０９において、通流率Ｄｃｈに応じたＯＮ，ＯＦＦ信号をチョッパ信号出力ポートＣＨへ出力する。出力されたチョッパ信号により、出力回路２３を介してチョッパ用トランジスタ１４が駆動される。これにより、バッテリ１の正極，ヒューズ２，電流センサ１０，駆動用電動機１１，チョッパ用トランジスタ１４，バッテリ１の負極の経路で電流が流れ、駆動用電動機１１が回転することにより車両が走行する。
【００４２】車両を駆動するための電動機をチョッパ制御する手段と、該電動機の電流を検出する手段とを有する一般的な電気車制御装置において、加速時における電動機の電流Ｉｍと、チョッパ制御手段の通流率Ｄｃｈは、図１０に示すように変化する。
【００４３】図１０において、スリップが発生しない通常の加速時は、Ｉｍが制御装置の最大制御電流Ｉｍａｘに達するまでは、予め設定された勾配でＤｃｈが増加する。そして、ＩｍがＩｍａｘに制限されている間は、電動機の回転数（車速）増加に伴って徐々にＤｃｈが増加し、やがて最大通流率Ｄｍａｘに達する。その後は、電動機の回転数増加に伴いＩｍは減少する。
【００４４】尚、ＩｍがＩｍａｘに達するまでの間、予め設定された勾配でＩｍを増加させる装置もあるが、ＩｍとＤｃｈは、概ね同様の経時変化となる。
【００４５】これに対し、加速時にスリップが発生した場合は、電動機の負荷が小さくなるため、ＩｍはＩｍａｘに到達せず、Ｄｃｈは予め設定された勾配でＤｍａｘまで増加する。電動機の回転数は既に増加しているため、Ｉｍは急激に減少し電動機の回転数とトルク（Ｉｍに比例）がつり合う点Ａまで低下する。Ｉｍの低下により加速に必要なトルクが不足するため、電動機の回転数は徐々に減少し、これに伴いＩｍは徐々に増加する。その後は、電動機の回転数と実際の車速に相当する回転数とが一致する点Ｂまでスリップが継続され、スリップが止まった時点からＩｍは減少する。
【００４６】本実施形態において、チョッパ制御手段の通流率が所定の値に達してから、所定の時間を経過した時の電流検出値は、上記の点Ａにおける電流値に相当する。図１１に示すように、ＤｃｈがＤｍａｘに達してから、時間Ｔが経過した点Ａにおける電流検出値を電流制限値Ｉｓとして設定し、ＩｍがＩｓを超えない範囲でＤｃｈを制御することにより、上記スリップ継続時よりも早く電動機の回転数が減少するため、点Ｃ付近でスリップを止めることができる。
【００４７】スリップが発生しない通常の加速時における電流制限値Ｉｓは、図１０に示す点Ｄの電流値となるが、点Ｄ以降のＩｍは減少しＩｓを超えないため、ＤｃｈはＤｍａｘと等しいままで特別な応答を行うことはない。
【００４８】従って、スリップ発生時と通常の加速時とで、同じ動作による制御が可能であるため、スリップ発生の検出が不要になり、上記判定レベル設定に要する時間や労力を削減できる。
【００４９】路面状況や車両重量が変化した場合は、それに応じて上記点Ａにおける電流値が変化するため、電流制限値Ｉｓは自動的に適切な値に設定される。また、搭載される車両や組み合わせる電動機が異なる場合においても、図１１の時間Ｔに相当する所定の時間を必要に応じて変更するだけで、容易に対応が可能である。
【００５０】更に、上記Ｉｍ，Ｄｃｈ等のデータは、何れも制御装置内部で検出できるものであり、回転数を検出するためのセンサ等を車両に増設せずにスリップ低減が可能となるため、コストアップの問題もない。
【００５１】本実施形態によれば、スリップ発生の検出が不要になるため、上記判定レベル設定に要する時間や労力を削減できると共に、通流率Ｄｃｈ，電動機電流Ｉｍ等の何れも制御装置内部で検出できるデータを基に、路面状況，車両重量、及び車両の違いに応じた駆動輪のスリップ低減が可能となり、ひいては、駆動輪の磨耗低減、並びに運転操作性向上を実現できる。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、スリップ発生の検出に当たり、判定レベル設定に要する時間や労力を削減でき、かつ効果的に駆動輪のスリップ低減が可能となる。
【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
【出願日】 平成１２年６月６日（２０００．６．６）
【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２００１−３５２６１１（Ｐ２００１−３５２６１１Ａ）
【公開日】 平成１３年１２月２１日（２００１．１２．２１）
【出願番号】 特願２０００−１７４１９４（Ｐ２０００−１７４１９４）