| 【発明の名称】 |
リニアインダクションモータ制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】河野 雅樹
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| 【要約】 |
【課題】ギャップ変動に基づいてその内部定数値の変化を補正することにより、回転型三相誘導電動機のベクトル制御演算と同様な制御性能が得られるリニアインダクタンスモータ制御装置を得る。
【解決手段】リニアインダクションモータの１次側６と２次側１２のギャップとこのリニアインダクションモータの等価回路定数である相互インダクタンスの関係を導出し、この導出出力に基づいてリニアインダクタンスモータの１次側６と２次側１２のギャップ変動による相互インダクタンスの変化を補正する定数補正装置１１と、この定数補正装置１１の出力に基づいてリニアインダクションモータを制御する制御手段とを備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップと該リニアインダクションモータの等価回路定数である相互インダクタンスの関係を導出し、該導出出力に基づいて上記リニアインダクタンスモータの１次側と２次側のギャップ変動による相互インダクタンスの変化を補正する補正手段と、該補正手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータを制御する制御手段と備えたことを特徴とするリニアインダクションモータ制御装置。
【請求項２】 上記補正手段は、上記リニアインダクションモータの速度に対応した外力を出力する外力出力手段と、該外力出力手段の出力と車体重量に基づいて上記リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ長を演算する第１の演算手段と、該第１の演算手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータの等価回路定数に関連した相互インダクタンスを演算する第２の演算手段とを有することを特徴とする請求項１記載のリニアインダクションモータ制御装置。
【請求項３】 上記外力出力手段は、上記リニアインダクションモータの速度が入力されると予め設定されたテーブルを検索して対応する外力を求めることを特徴とする請求項２記載のリニアインダクションモータ制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、リニアインダクションモータ制御装置に関し、特に、電気車搭載リニアインダクションモータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、電気車駆動用リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ長は、車両の走行中に大幅に変動する。このギャップ長の変動は、電気車に望まれる定トルク特性を損なうため、ギャップ長を検出してリニアインダクションモータのすべり周波数およびモータ電流を修正する方法がある。
【０００３】図５は、例えば特開昭６１−１９９４０４号公報に示されたこの種従来のリニアインダクションモータ制御装置を示す構成図である。図において、６はリニアインダクションモータの一次側、７はインバータ装置、１２はリニアインダクションモータの二次側、４０はすべり周波数パターン発生器、４１はリニアインダクションモータの電流を検出する電流センサ、４２はモータ周波数（車両速度）を検出する速度発電機、４３は演算増幅器、４４は電圧パターン発生器、４５は電気車即ちリニアインダクションモータの１次側６に取り付けられたギャップ検出器、５０は電流パターン発生器である。
【０００４】次に、動作について説明する。ギャップ検出器４５によりリニアインダクションモータの一次側６と二次側１２間のギャップ長δを測定する。トルク指令Ｔとギャップ長δがすべり周波数パターン発生器４０に入力され、後述するすべり周波数基準ｆSPを発生する。また、トルク指令Ｔとギャップ長δが電流パターン発生器５０に導かれ、電流基準ＩPを発生する。
【０００５】ギャップ長δが変動すると、これに伴いモータ定数が変動するが、リニアインダクションモータの定トルク特性を維持するためには、２次抵抗Ｒ2による発生トルクを一定にすればよいので、（Ｉ2）×Ｒ1・ｆ1／ｆsが一定になるように各要素を補正すればよい。ここで、Ｉ2はモータ２次電流、Ｒ1は１次抵抗、ｆ1は１次周波数、ｆSはすべり周波数を表す。リニアインダクションモータの１次誘起電圧Ｅ1は、下記の式（１）で表される。
【０００６】
【数１】
【０００７】ギャップ長δがΔδだけ変動したことにより、Ｌ2（リニアインダクションモータの２次漏れインダクタンス），Ｒ2，Ｉ2，ｆSがそれぞれ、ΔＬ2，ΔＲ2，ΔＩ2，ΔｆSだけ変動したとすると、変動後の１次誘起電圧Ｅ1Δは、下記の式（２）の如くなる。
【０００８】
【数２】
【０００９】但し、上記式（２）において、Ｒ2′＝Ｒ2＋ΔＲ2，L2′＝L2＋ΔL2，I2′＝I2＋ΔI2，ｆS′＝ｆS＋ΔｆSとなる。ここで、Ｅ1＝Ｅ1Δとなるように、１次電圧Ｖを制御する場合、変数はｆS，Ｉ2，（ｆS＋ΔｆS），（Ｉ2＋ΔＩ2）となり、モータ定数はギャップ長の変動に対して予め演算もしくは計測より求め得る量となる。また、変数ｆS，Ｉ2，変数（ｆS＋ΔｆS）と（Ｉ2＋ΔＩ2）は１次誘起電圧に対して一定の関係をもったものとなるため、２次電流Ｉ2とその変動分ΔＩ2が決まれば発生トルクＴは一義的に決定される。また、１次誘起電圧Ｅ1と１次電圧とは下記の関係式で表される。
【００１０】
【数３】
【００１１】従って、リニアインダクションモータの界磁の利用率等から１次誘起電圧Ｅ1を決定し、ギャップ長に対するリニアインダクションモータのモータ定数を実測によって求め、所定のトルクＴを得るために２次電流Ｉ2を演算し、１次誘起電圧Ｅ１を所定の値とした場合のギャップ長に対する励磁電流Ｉoの大きさを演算する。
【００１２】上記のようにして求めたＩ2とＩ0から、ギャップ長に対する１次電流Ｉ1を演算する。上記Ｉ2をパラメータとして、所定のトルクＴを得るためのすべり周波数ｆSを演算する。また、すべり周波数パターン発生器４０は、トルク指令Ｔに対し、検出した入力されるギャップ長に対応するすべり周波数、すなわちすべり周波数基準ｆSPを演算して出力する。同様に、電流パターン発生器５０はトルク指令Ｔに対し、入力されるギャップ長に対応する１次電流Ｉ1、すなわち電流基準Ｉpを演算して出力する。
【００１３】従って、ギャップ長が増減した場合、発生しているリニアインダクションモータの２次出力が維持されるように、すべり周波数およびモータ電流が修正されるので、リニアインダクションモータは定トルク制御される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のような従来のリニアインダクションモータ制御装置は、以下のような問題点があった。電気車では、ひとつの電力変換器から複数のリニアモータ、例えば２個モータ、４個モータへ給電することが多く、ギャップ長は個々のモータ毎に正確に検出しない限り、電気車の総合トルクを制御することはできない。このため、多数のギャップ検出器を必要とし、精度、信頼性に欠け、またコスト的にも高価になる等の問題点があった。
【００１５】また、リニアインダクションモータは、図６に示すように周知の回転型三相誘導電動機と同じ等価回路で表現できる。従って回転型三相誘導電動機と同様のベクトル制御が可能である。しかし、電気車駆動リニアインダクタンスモータでは、ギャップ変動によりリニアインダクタンスモータの等価回路定数の変化によって制御内部定数値と異なってくるという問題点があった。
【００１６】この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたものであり、ギャップ検出器なしでリニアインダクションモータが発生する吸引力または反発力と車両重量変化によるギャップ変動を検出しリニアインダクタンスモータの等価回路定数の変化を把握し、その制御内部定数値を補正することにより、回転型三相誘導電動機のベクトル制御演算と同様な制御性能が得られるリニアインダクタンスモータ制御装置を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るリニアインダクションモータ制御装置は、リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップと該リニアインダクションモータの等価回路定数である相互インダクタンスの関係を導出し、該導出出力に基づいて上記リニアインダクタンスモータの１次側と２次側のギャップ変動による相互インダクタンスの変化を補正する補正手段と、該補正手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータを制御する制御手段とを備えたものである。
【００１８】請求項２の発明に係るリニアインダクションモータ制御装置は、請求項１の発明において、上記補正手段は、上記リニアインダクションモータの速度に対応した外力を出力する外力出力手段と、該外力出力手段の出力と車体重量に基づいて上記リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ長を演算する第１の演算手段と、該第１の演算手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータの等価回路定数に関連した相互インダクタンスを演算する第２の演算手段とを有するものである。
【００１９】請求項３の発明に係るリニアインダクションモータ制御装置は、請求項２の発明において、上記外力出力手段は、上記リニアインダクションモータの速度が入力されると予め設定されたテーブルを検索して対応する外力を求めるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１を示す構成図である。なお、図１において、図５と対応する部分には同一符号を付して、その説明を省略する。図において、１は制御装置、２はパンタグラフ、３は直流リアクトル、４はフイルタコンデンサ、５はグランド、８はＰＷＭ装置、９はベクトル制御演算部、１０は指令装置、１１はリニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ変動によるリニアインダクションモータの等価回路定数を補正する補正手段としての定数補正装置である。なお、インバータ装置７、ＰＷＭ装置８およびベクトル制御演算部９は制御手段を構成する。
【００２１】図２は、図１の定数補正装置１１の詳細を示すブロック図である。図において、１１ａは各速度に対する外力ｆをテーブルとして予め記憶させた外力出力手段としての速度−外力記憶手段、１１ｂは車両重量検出器（図示せず）よりの車体重量Ｍｔと外力ｆに基づき、ギャップδの長さを下記の式（９）により演算する第１の演算手段としてのギャップ長演算手段、１１ｃは上記式（４）より推定相互インダクタンスＭｃを演算する第２の演算手段としての相互インダクタンス演算手段である。
【００２２】また、図３は、リニアインダクションモータの起磁力分布と磁束分布を示す概略図、図４はこの発明の基本原理を示す概略図であり、図において、１３は車体、１４は車輪である。
【００２３】次に、動作について説明する。先ず、図３および図４を参照して、この発明の基本原理を説明する。リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ変動によるリニアインダクションの等価回路定数の１つである相互インダクタンスＭは、磁束Φｍ/磁化電流ＩMlで表すことができる。磁束Φｍを発生させるに必要な起磁力の最大値Ｆｍは、次の式（５）ように表せる。
【００２４】
【数４】
【００２５】ここで、δ：ギャップの長さ[ｍ]、μ：空気中の透磁率（＝４π×１０-7Ｈ／ｍ）、ｓ：ギャップ面の一極の広さ、すなわち、（極ピッチτb）×（鉄心長さｌ）[ｍ2]、κｓ：飽和係数（鉄心の飽和のため、起磁力が増える係数で1.1〜1.5）、κｃ：カーター係数（スロットの開口部の影響で実質的にギャップの効果が増える係数で1.1〜1.3）である。また、Φｍ／ｓは平均の磁束密度であるから、π／２倍して最大値を求めている（図３参照）。起磁力の最大値Ｆｍは、磁化電流を実効値で表してＩMlとすれば、次の式（６）ように表すことができる。
【００２６】
【数５】
【００２７】ここで、Ｎ1：全巻き数、Ｐｍ：極数を表す。磁気抵抗が全てギャップに存在するとすれば、上記式（５）および（６）式より、相互インダクタンスＭは、次の式（７）式を用いて算出される。
【００２８】
【数６】
【００２９】上記式（７）式より相互インダクタンスＭとギャップδの関係は、下記の式（８）のように表すことができ、反比例の関係が成り立つ。
【００３０】
【数７】
【００３１】ただし、κ＝2.64（Ｎ1／Ｐｍ）・（２Ｓμ／π・κｓ・κｃ）とし、κは一定定数と考えられる。相互インダクタンスは、温度変動、磁束飽和の影響を無視するとギャップの長さによって一義的に決まる。従ってギャップの長さが把握できれば、相互インダクタンスも予め把握できる。
【００３２】また、ギャップの把握であるが、電気車駆動用リニアインダクションモータの場合、ギャップ変動はリニアインダクションモータが発生する吸引力または反発力による歪みと乗車の割合による車両重量変化で発生する。この変動量のうち車体重量は検出することによって把握できるため、外力（吸引力または反発力）が把握できれば、ギャップ変動量も把握できる。即ち、下記の式（９）で表される。
【００３３】
ギャップの長さδ＝ｋa×（Ｍt＋ｆ） （９）
【００３４】ここで、ｋa：比例定数、Ｍｔ：車体重量、ｆ：外力（吸引力または反発力）となる。次に、外力の把握であるが、電気車駆動リニアインダクションモータでは速度により外力が一義的に把握できる。
【００３５】次に、図１および図２の動作について説明する。速度ｖtが入力されると、速度−外力記憶手段１１ａはその内部のテーブルを検索して対応する外力ｆを求める。この外力ｆと車両重量検出器よりの車体重量Ｍｔを用いてギャップ長演算手段１１ｂにおいて、上記式（９）の演算を行い、ギャップ長δを求める。この演算されたギャップ長δから相互インダクタンス演算手段１１ｃにより上記式（８）を演算し、推定相互インダクタンスＭｃを求める。この求められた推定相互インダクタンスＭｃは、実機の値に等しくなるように補正された等価回路定数である。
【００３６】この等価回路定数Ｍは、ベクトル制御演算部９（図１）へ入力され、補正された推定相互インダクタンスＭｃを使用して演算される。なお、上述の等価回路定数の補正は、運行中、常に行われる。ベクトル制御演算部９では、すべり周波数形ベクトル制御の原理に基づいて、トルク指令ＴM＊、２次磁束指令Φ2＊から１次dq軸電流指令ｉ1d＊，ｉ1q＊とすべり周波数指令ωs＊を次式より演算する。
【００３７】
【数８】
【００３８】よって、下記の式（１３）および（１４）に基づいて、dq軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を演算する。
【００３９】
【数９】
【００４０】dq軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊をもとにして、ＰＷＭ装置８でインバータ７を駆動させるＰＷＭ信号を出力する。
【００４１】このように、本実施の形態では、リニアインダクションモータのギャップと等価回路定数である相互インダクタンスの関係を導出し、また、インダクションモータが発生する吸引力または反発力と車体重量を検出してギャップ長を把握し導出した式による相互インダクタンスを補正できる定数補正装置を設け、リニアインダクションの１次側と２次側のギャップ変動によるインダクションモータの等価回路定数の変化を補正するので、、制御演算で使用するリニアインダクションモータの内部定数値が実機と等しくなり、ギャップ変動に拘わらず推力が一定に維持され、乗り心地が悪くなることを防ぐことができる。
【００４２】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップと該リニアインダクションモータの等価回路定数である相互インダクタンスの関係を導出し、該導出出力に基づいて上記リニアインダクタンスモータの１次側と２次側のギャップ変動による相互インダクタンスの変化を補正する補正手段と、該補正手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータを制御する制御手段とを備えたので、制御演算で使用するモータの等価定数が実機の値と等しくなり、ギャップ変動に拘わらず推力が一定に維持され良好な制御特性が得られ、車両等に適用した場合には良好な乗り心地が得られ、しかも精度、信頼性を向上できると共にコスト的にも安価になるという効果がある。
【００４３】請求項２の発明によれば、上記補正手段は、上記リニアインダクションモータの速度に対応した外力を出力する外力出力手段と、該外力出力手段の出力と車体重量に基づいて上記リニアインダクションモータの１次側と２次側のギャップ長を演算する第１の演算手段と、該第１の演算手段の出力に基づいて上記リニアインダクションモータの等価回路定数に関連した相互インダクタンスを演算する第２の演算手段とを有するので、ギャップ変動に拘わらず推力が一定に維持され良好な制御特性が得られ、精度、信頼性の向上、コストの低廉化に寄与できるという効果がある。
【００４４】請求項３の発明によれば、上記外力出力手段は、上記リニアインダクションモータの速度が入力されると予め設定されたテーブルを検索して対応する外力を求めるので、良好な制御特性等の向上に寄与できるという効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年６月２６日（２０００．６．２６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５７８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道照 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１０４１２（Ｐ２００２−１０４１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１月１１日（２００２．１．１１） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１９１１２５（Ｐ２０００−１９１１２５） |
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