電気車の駆動制御方式

トップ :: B 処理操作運輸 :: B60 車両一般

【発明の名称】	電気車の駆動制御方式
【発明者】	【氏名】児島徹郎【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所水戸交通システム本部内【氏名】仲田清【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所水戸交通システム本部内【氏名】小澤勉【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所水戸交通システム本部内【氏名】豊田瑛一【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所水戸交通システム本部内
【要約】	【課題】速度センサレスによる電気車の速度制御において、エネルギー効率の高い電気車の駆動制御方式を提供することにある。【解決手段】速度演算手段６により求めた電気車の速度演算値に基づいて電気車を駆動制御するに際し、定速運転の目標速度を入力する入力手段７と、惰行状態に入る直前の速度演算値を初期値として惰行中速度推定値を求める惰行中走行速度推定手段１１と、目標速度と惰行中速度推定値との偏差に応じて電流指令を生成する電流指令生成手段１を設け、前記偏差が所定範囲から逸脱すると、前記電流指令を短時間与え、電気車の惰行状態の間、間欠的に電力変換器３を再起動させる。ここで、惰行中走行速度推定手段は、スイッチ８と走行抵抗演算器９と積分器１０からなり、再起動指令オフすると、再起動指令オフ直前の速度演算値を初期値として惰行中速度推定値に応じた減速度を積分して惰行中速度推定値を求める。

【特許請求の範囲】
【請求項１】電気車を駆動する誘導電動機と、前記電動機に交流電力を供給する電力変換器と、前記電動機に供給する交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流より前記電気車の速度を演算する速度演算手段を備え、前記速度演算手段により求めた速度演算値に基づいて前記電気車を駆動制御する電気車の駆動制御装置において、定速運転の目標速度を入力する入力手段と、惰行状態に入る直前の前記速度演算値を初期値として惰行中速度推定値を求める惰行中走行速度推定手段と、前記目標速度と前記惰行中速度推定値との偏差に応じて電流指令を生成する電流指令生成手段を設け、前記偏差が所定範囲から逸脱すると、前記電流指令を短時間与え、前記電気車の惰行状態の間、間欠的に前記電力変換器を再起動させることを特徴とする電気車の駆動制御方式。
【請求項２】請求項１において、前記電流指令は、前記電動機が実質的にトルクを発生しないように抑制された電流値であることを特徴とする電気車の駆動制御方式。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記惰行中走行速度推定手段は、スイッチと走行抵抗演算器と積分器からなり、前記電流指令生成手段から出力される再起動指令オン中は、前記速度演算手段の速度演算値が前記積分器の初期値としてセットされ続け、再起動指令オフすると、再起動指令オフ直前の前記速度演算値を初期値として前記惰行中速度推定値に応じた減速度を積分して惰行中速度推定値を求めることを特徴とする電気車の駆動制御方式。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気車の駆動制御装置に係り、特に、電動機取り付けの速度センサが不要な速度センサレスベクトル制御による駆動制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気車の制御においては、電力変換器を動作して主電動機を駆動することにより、電気車をある速度まで加速した後、電力変換器の動作を停止させ、電気車の惰性にまかせて走行する惰行状態が存在するが、他の交通手段例えば自動車と比較して走行抵抗が少なく、惰行状態での減速が小さいという特性から、電気車の運転においては、この惰行状態を積極的に利用することによりエネルギー効率を高めている。また、電気車の駆動制御に用いられる電力変換器は、常時動作しない上に、惰行中は走行風による自然冷却が期待できることから、冷却システムを比較的シンプルおよびコンパクトにできるという利点がある。また、電気車の運転においては、定速運転と呼ばれる走行速度を一定に保つ運転モードが存在する。走行抵抗による減速分と平衡するだけのトルクを常時発生することにより、電気車の走行速度を一定に保持することができるが、一般的には、エネルギー効率の面から定速運転の設定速度に許容可能な範囲を設け、その範囲内で加速と惰行を繰り返す運転が行われることが多い。ところで、速度センサを用いない速度センサレス制御を電気車の駆動制御に用いる場合、惰行中は電力変換器の動作を停止させるため、速度情報を得ることができず、加速と惰行を繰り返す定速運転を実現できない、という課題がある。速度センサレス制御で電気車の定速運転を実現する方法として、例えば、特開平１１－４１９８６号公報に記載されているように、電気車の編成を構成する複数の電力変換器のうち１台のみを常時動作させることにより、常に速度情報を得る手法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載されている従来技術は、電気車の編成を構成する複数の電力変換器のうち１台のみを常時動作させること、惰行中は実質的にトルクを発生しなくてよいので、主電動機に供給する電流を抑制することができ、省エネルギー化を図っている。しかし、電気車を編成する電力変換器のユニット数が少ない場合、省エネルギーの効果が小さいこと、また、少なくとも１ユニットは常時動作させる必要があるが、この常時動作させるユニットに合わせて冷却システムを設計しなくてはならない、という課題があった。
【０００４】本発明の課題は、速度センサレスによる電気車の速度制御において、エネルギー効率の高い電気車の駆動制御方式を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、定速運転の目標速度を入力する入力手段と、惰行状態に入る直前の電気車の速度を演算する速度演算手段により求めた速度演算値を初期値として惰行中速度推定値を求める惰行中走行速度推定手段と、目標速度と惰行中速度推定値との偏差に応じて電流指令を生成する電流指令生成手段を設け、前記偏差が所定範囲から逸脱すると、前記電流指令を短時間与え、電気車の惰行状態の間、間欠的に電力変換器を再起動させる。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の電気車の駆動制御方式の一実施形態を示す。本実施形態は、速度センサレスベクトル制御方式による電気車の定速運転を実現する制御方式の例である。図１において、電力変換器３は、ベクトル制御器２の出力する三相交流電圧指令に基づき、誘導電動機５に三相交流交流電力を供給する。ベクトル制御器２は、ｄ軸電流パターンＩｄ*とｑ軸電流パターンＩｑ*と誘導電動機の回転周波数の推定速度（力行中速度演算値）Ｆ＾ｒを入力し、電動機定数に基づいて誘導電動機５を駆動する三相交流電圧指令を生成する。電流センサ４は、誘導電動機５に供給される電流を検出し、三相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを出力する。速度演算器６は、電流センサ４により検出した三相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを入力し、電動機定数に基づいて誘導電動機５の回転周波数の推定速度（力行中速度演算値）Ｆ＾ｒを出力する。目標速度保持手段７は、定速運転指令が与えられた時点における誘導電動機５の推定速度（力行中速度演算値）Ｆ＾ｒを保持し、これを定速運転の目標速度（定速運転速度）Ｆｒｈとして出力する。スイッチ８は、再起動指令がオンの期間はＡ接点がオン、Ｂ接点がオフとなり、再起動指令がオフの期間はＡ接点がオフ、Ｂ接点がオンとなる。スイッチ８のＡ接点は、速度演算器６の速度演算値Ｆ＾ｒが入力され、その出力は積分器１０の初期値入力に接続する。一方、スイッチ８のＢ接点は、走行抵抗演算器９の出力が入力され、その出力は積分器１０の入力に接続する。走行抵抗演算器９は、積分器１０の出力（惰行中速度推定値）Ｆ＾ｒ’を入力とし、このＦ＾ｒ’に応じた走行抵抗を演算し、Ｆ＾ｒ’に応じた減速度を出力する。なお、この走行抵抗は、電気車の質量および走行抵抗あるいは路線区間中の勾配などを含んでもよい。電流指令生成器１は、定速運転指令に基づき、目標速度保持手段７の定速運転速度Ｆｒｈと積分器１０の出力Ｆ＾ｒ’の偏差を入力し、この速度偏差に応じてｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を出力する。ここで、スイッチ８と走行抵抗演算器９と積分器１０は、惰行中走行速度推定器１１を構成し、再起動指令オン中は、速度演算器６の速度演算値Ｆ＾ｒが積分器１０の初期値としてセットされ続ける。再起動指令オフすると、再起動指令オフ直前の速度演算値Ｆ＾ｒを初期値として、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’に応じた減速度を積分することにより、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’を求めている。
【０００７】図２は、図１で示した電流指令生成器１の詳細を示す。ヒステリシス付き比較器２０は、定速運転速度Ｆｒｈと惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’の偏差を入力とする。ヒステリシス付き比較器２０は、出力をオンからオフに切り替える条件と、オフからオンに切り替える条件が異なる比較器（コンパレータ）であり、具体的には、入力である速度偏差が定速運転の速度偏差範囲の下限値Ｆｒａより大きくなると、すなわち、惰行中の速度推定値Ｆ＾ｒ’が定速運転の速度偏差範囲の下限に達したとき（Ｆ＾ｒ’＜Ｆｒｈ－Ｆｒａ）、出力をオンとする。また、速度偏差が定速運転の速度偏差範囲の上限値－Ｆｒｂより小さくなると、すなわち、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’が定速運転の速度偏差範囲の上限に達したとき（Ｆ＾ｒ’＞Ｆｒｈ＋Ｆｒｂ）、出力をオフにする。ＡＮＤ（論理積）素子２１ａは、定速運転指令およびヒステリシス付き比較器２０の出力を入力とし、いずれの入力もオンのときのみ出力をオンとする。ワンショットトリガ２２は、ＡＮＤ素子２１ａの出力を入力とし、入力がオンになった瞬間（立ち上がりエッジ）から所定の期間Ｔｒｅｓだけ出力をオンとする。ＯＲ（論理和）素子２４は、ＡＮＤ素子２１ａの出力およびワンショットトリガ２２の出力を入力とし、いずれかの入力がオンのとき出力をオンとする。再起動指令は、ＯＲ素子２４の出力とする。ＮＯＴ素子２５は、ワンショットトリガ２２の出力を反転する。ＡＮＤ素子２１ｂは、ＡＮＤ素子２１ａの出力およびＮＯＴ素子２５の出力を入力とし、いずれの入力もオンのときのみ出力をオンとする。スイッチ２３ａは、ワンショットトリガ２２の出力がオンのとき、誘導電動機５が実質的にトルクを発生しないように抑制されたｄ軸電流抑制値Ｉｄ*ｒｅｓを出力し、オフのときはゼロを出力する。スイッチ２３ｂは、ＡＮＤ素子２１ｂの出力がオンのとき、ｄ軸電流定格値Ｉｄ*０を出力し、オフのとき、スイッチ２３ａの出力を選択する。ｄ軸電流パターンＩｄ*は、スイッチ２３ｂの出力とする。スイッチ２３ｃは、ＡＮＤ素子２１ｂの出力がオンのとき、ｑ軸電流定格値Ｉｑ*０を出力し、オフのときゼロを出力する。ｑ軸電流パターンＩｑ*は、スイッチ２３ｃの出力とする。
【０００８】図３は、本実施形態の定速運転時の波形を示す。図３の初期状態は、力行加速中（非定速運転）とし、再起動指令オン、ｄ軸電流パターンＩｄ*およびｑ軸電流パターンＩｑ*は所定値が与えられ、実速度Ｆｒは単調増加しているものとする。図３の力行中速度演算値Ｆ＾ｒは、図１の速度演算器６の出力とし、再起動指令オン中であるため、高精度に速度推定演算を行っている。惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’は、図１の積分器１０の出力とし、再起動中は、力行中速度演算値Ｆ＾ｒと同一である。ここで、時刻Ｔ１において、定速運転指令が入力され、時刻Ｔ１における定速運転速度Ｆｒｈを目標速度として定速運転を行うものとする。定速運転指令が入力されても、しばらくは再起動指令オン、ｄ軸電流パターンＩｄ*およびｑ軸電流パターンＩｑ*は所定値のままで力行加速を続けているが、時刻Ｔ２において、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’が定速運転速度偏差の上限（Ｆｒｈ＋Ｆｒｂ）に達すると、再起動指令オフとなり、ｄ軸電流パターンＩｄ*およびｑ軸電流パターンＩｑ*はゼロとなる。電力変換器３の動作は停止するので、電流検出値から速度推定を行うのは不可能となり、力行中速度演算値Ｆ＾ｒはゼロとなる。惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’は、再起動指令がオフになる直前の値を初期値として、電気車の編成質量および走行抵抗などから減速度を求めて速度推定を行うが、路線区間中の勾配条件、空気抵抗その他の要因によって速度推定誤差が生じるため、惰行中速度推定値Ｆｒ＾’は、実速度Ｆｒよりも先に定速運転速度偏差の下限（Ｆｒｈ－Ｆｒａ）に達する。時刻Ｔ３において、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’が定速運転速度偏差の下限に達すると、再起動指令オンとし、抑制されたｄ軸電流パターンＩｄ*ｒｅｓを与え、ｑ軸電流パターンＩｑ*はゼロのままとする。電力変換器３を動作させ、主電動機５に電流を流すことによって正確な速度演算を行えるようになり、力行中速度演算値Ｆｒ＾は、実速度Ｆｒを高精度にトレースする。また、同様に惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’の速度推定誤差も解消される。電力変換器３を動作させて正確な速度演算を行った結果、実速度Ｆｒが定速運転速度偏差範囲内に入ると、速やかに再起動指令オフする。時刻Ｔ４＝Ｔ３＋Ｔｒｅｓにおいて、再起動指令オフ、ｄ軸電流パターンＩｄ*をゼロとすると、力行中速度演算値Ｆ＾ｒはゼロとなり、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’は、再度、再起動指令がオフになる直前の値を初期値として、電気車の編成質量および走行抵抗などから減速度を求めて速度推定を行う。時刻Ｔ５において、再起動指令オン、時刻Ｔ６において再起動指令オフとなるのも同様である。時刻Ｔ７において、惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’が定速運転速度偏差範囲の下限に達し、再起動指令オンとしたとき、実速度Ｆｒも定速運転速度偏差範囲の下限に達しているので、このまま力行加速に推移する。時刻Ｔ８＝Ｔ７＋Ｔｒｅｓにおいて、ｄ軸電流パターンＩｄ*は抑制値Ｉｄ*ｒｅｓから定格値Ｉｄ*０に復帰し、ｑ軸電流パターンＩｑ*もゼロから定格値Ｉｑ*０に戻し、惰行状態から力行加速となる。
【０００９】本実施形態は、惰行状態に入る直前の速度演算値Ｆ＾ｒを初期値として惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’を求め、目標速度（定速運転速度）Ｆｒｈと惰行中速度推定値Ｆ＾ｒ’の偏差が所定範囲から逸脱すると、主電動機が実質的にトルクを発生しないように抑制された電流指令Ｉｄ*ｒｅｓを短時間Ｔｒｅｓだけ与え、電動機電流から正確な速度推定値を求めると、すぐに電力変換器の動作を停止させる。このような間欠的な電流指令Ｉｄ*ｒｅｓを与えることにより、惰行中であっても電気車の走行速度を所定の範囲内で管理することができ、速度センサレス制御による定速運転を実現できる。すなわち、速度センサレス制御により電気車の定速運転を実現する際に、厳密に一定速度で走行するのであれば、常時電力変換器を動作させて、常時トルク制御および速度制御を行う必要があるが、本実施形態では、実際に電気車の定速運転は、定速運転速度に許容範囲を設けて運転されていること、そして、電気車の走行抵抗は少なく、速度変化が少ないことに注目し、間欠的に電力変換器を動作させて速度推定演算を行うことにより、電気車の走行速度を所定の範囲内に管理することが可能となり、惰行中であっても速度センサレス制御による定速運転を実現することができる。なお、電気車の走行抵抗による減速度を一定値とすれば、定速運転速度偏差の範囲から間欠的に電力変換器を動作させるインターバルは求められるが、実際には電気車の走行抵抗は走行速度に比例する項、走行速度の二乗に比例する項が含まれるため、本実施形態では、より厳密に走行抵抗による減速度を求め、間欠的に電力変換器を動作させる頻度および動作時間をさらに少なくしている。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、定速運転の目標速度と惰行中速度推定値の偏差が所定範囲から逸脱すると、主電動機が実質的にトルクを発生しないように抑制された電流指令を短時間だけ与え、電動機電流から正確な速度推定値を求めると、すぐに電力変換器の動作を停止させ、間欠的に電流指令を与えることにより、惰行中であっても電気車の走行速度を所定の範囲内で管理することができ、速度センサレス制御による定速運転を実現でき、同時に、エネルギー効率の高い電気車の駆動制御を行うことができる。また、電気車の走行抵抗による減速度をより厳密に求めることにより、間欠的に電力変換器を動作させる頻度および動作時間を少なくすることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００５１０８【氏名又は名称】株式会社日立製作所【住所又は居所】東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地
【出願日】	平成１３年６月２８日（２００１．６．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００９９３０２【弁理士】【氏名又は名称】笹岡茂（外１名）
【公開番号】	特開２００３－１８７０３（Ｐ２００３－１８７０３Ａ）
【公開日】	平成１５年１月１７日（２００３．１．１７）
【出願番号】	特願２００１－１９６１６３（Ｐ２００１－１９６１６３）