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【発明の名称】 車両用電力変換器の制御装置
【発明者】 【氏名】鈴木 優人
【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工場内

【氏名】安藤 武
【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工場内

【氏名】棚町 徳之助
【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工場内

【氏名】安田 高司
【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工場内

【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工場内

【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工場内
【要約】 【課題】制御装置の小形、低コスト化を図ると共に、再粘着制御によるトルクの減少を防止し、所定の加速性能を得て制御性能を向上させることにある。

【解決手段】車両の運転状態を決定する１台の車両制御手段１と、該手段１の指令に応じて電力変換器６ａ、６ｂを制御する複数台の変換器制御手段２ａ、２ｂと、両手段１，２ａ、２ｂを接続するシリアル通信手段（通信ネットワーク）１０からなり、変換器制御手段によって駆動される車両走行用電動機の中で空転等の異常が発生した場合に、該当変換器制御手段からその異常情報を通信ネットワークを介して車両制御手段に送信し、車両制御手段はその受信した情報に基づき該当変換器制御手段を含め他の複数の変換器制御手段に新たな運転状態を決定した指令データを通信ネットワークを介して送信するようにした。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 応荷重指令、ブレーキ力指令、ノッチ指令及び主回路の断流器信号等の運転上必要とする運転情報を得て一編成列車を形成する複数の車両の運転状態を決定する車両制御手段と、車両走行用電動機を駆動する電力変換器を前記決定した運転状態の指令に応じて制御する変換器制御手段を複数台備えてなる車両用電力変換器の制御装置において、前記編成列車の各車両間を渡る少なくとも一つの通信ネットワークを配し、該ネットワーク上には列車走行時に１台の前記車両制御手段と前記複数台の変換器制御手段が接続されてなり、前記変換器制御手段によって駆動される前記電動機の中で空転等の異常が発生した場合に、該当変換器制御手段からその異常情報を前記ネットワークを介して前記車両制御手段に送信し、該車両制御手段はその受信した情報に基づき前記該当変換器制御手段を含め他の複数の変換器制御手段に新たな運転状態を決定した指令データを前記ネットワークを介して送信するようにしたことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【請求項２】 応荷重指令、ブレーキ力指令、ノッチ指令及び主回路の断流器信号等の運転上必要とする運転情報を得て一編成列車を形成する複数の車両の運転状態を決定する車両制御手段と、車両走行用電動機を駆動する電力変換器を前記決定した運転状態の指令に応じて制御する複数台の変換器制御手段とを通信ネットワークを介して送受信可能に接続すると共に、前記車両制御手段と前記複数台の変換器制御手段とのそれぞれに相互に異なるアドレスを割当て、前記各変換器制御手段は、前記車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータに含まれる電流指令値又はトルク指令値に基づいて対応する前記電動機の電流を制御する電流制御手段と、自アドレスとデータ転送先である前記車両制御手段のアドレスを付して前記ネットワークに送信すると共に、前記車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備え、前記車両制御手段は、前記変換器制御手段から前記ネットワークに送信されたデータを受信して複数の前記変換器制御手段と対応する前記電動機に対する電流指令値又はトルク指令値を決定する手段と、当該指令値データを自アドレスとデータ転送先である前記変換器制御手段のアドレスを付して前記ネットワークに送信すると共に、前記各変換器制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備えてなることを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【請求項３】 応荷重指令、ブレーキ力指令、ノッチ指令及び主回路の断流器信号等の運転上必要とする運転情報を得て一編成列車を形成する複数の車両の運転状態を決定する車両制御手段と、車両走行用電動機を駆動する電力変換器を前記決定した運転状態の指令に応じて制御する複数台の変換器制御手段とを通信ネットワークを介して送受信可能に接続すると共に、前記車両制御手段と前記複数台の変換器制御手段とのそれぞれに相互に異なるアドレスを割当て、前記各変換器制御手段は、前記車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータに含まれる電流指令値又はトルク指令値に基づいて対応する前記電動機の電流を制御すると共に、当該対応する前記電動機に空転又は滑走が生じたことにより、当該電動機への電流を制御する電流制御手段と、当該空転又は滑走データを、自アドレスとデータ転送先である前記車両制御手段のアドレスを付して前記ネットワークに送信すると共に、前記車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備え、前記車両制御手段は、前記変換器制御手段から前記ネットワークに送信された前記空転又は滑走データを受信して複数の前記変換器制御手段と対応する前記電動機に対する電流指令値又はトルク指令値を決定する手段と、当該指令値データを自アドレスとデータ転送先である前記変換器制御手段のアドレスを付して前記ネットワークに送信すると共に、前記各変換器制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備えてなることを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両用インバータ、コンバータ及び車上電源装置等の車両用電力変換器の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータやコンバータ等の車両用電力変換器の制御装置として、従来は１台の制御装置により１ユニット（例えば、１インバータ／１モータ構成）の主回路を制御することが基本構成となっている。ところで、１編成の車両には変換器制御に必要な電流、電圧信号の他に、マスコンからのノッチ指令、応荷重指令、ブレーキ力指令及び主回路の断流器信号等の車両の運転状態を決定するために必要な信号（以下、運転情報と呼ぶ。）が多数あり、制御装置にはこれらの運転情報が各々電線を介して入力されている。このため、車両１編成で複数台の制御装置を用いる場合、全ての制御装置は独立しているので、それぞれ独立した制御装置に上記運転情報を並列に入力する必要があった。また、従来技術として、特開平４−２４８３０１号公報には、可変電圧可変周波数インバータと誘導電動機を１対１に組み合わせてユニット化（以下、駆動制御ユニットと呼ぶ。）し、この複数の駆動制御ユニットを１台の統括制御装置で制御するシステムが開示されている。このシステムにおいて空転及び滑走が発生した場合、統括制御装置は、予め定められた特定の駆動制御ユニットのトルク指令値を低下させ、他の駆動制御ユニットに対してトルク指令値を低下させた駆動制御ユニットの速度信号を使用するように指令する。これにより、トルク指令値を低下させた駆動制御ユニットの空転及び滑走を抑制し、このユニットの速度信号を使用することにより、実走行速度を確実に得ることが可能となり、再粘着性能の向上が期待できるとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の制御装置を複数台用いる車両では、実装面やコスト面で制御装置ばかりでなく、配線量の占める割合が大きくなっていた。また、制御に関しては、制御装置が独立しているため、何れかのユニットに属するモータが空転しても、他のユニットの制御装置は空転を検知することができず、再粘着制御の性能が低下する、という問題があった。更に、何らかの事故により、１つのユニットを切り離すような場合には、このために不足するトルクの補正を運転手のノッチ操作により行わざるを得なかったので、操作上煩わしさがあった。また、上記公報記載の従来技術は、特別な検出手段を用いずに実走行速度を検出し、これによりインバータ周波数の発散を抑制することを目的としているため、インバータ周波数の発散を抑制できるものの、空転及び滑走自体を防止するものではない。このため、空転及び滑走が発生したユニットについては、従来と同様にトルク指令の減少及び復元といった再粘着制御が必要である。ここで、一般的な再粘着制御を図２０に示す。すなわち、空転及び滑走が発生し、図示のように電動機速度Ｆｒが急変した場合、電動機速度Ｆｒが急変している期間（ｔ０〜ｔ１：空滑信号が“１”の期間）では電流パターンＩｐを絞り、再粘着した時点（ｔ１）から所定時間保持（ｔ１〜ｔ２）した後に元の値までゆっくりと戻す（ｔ２〜ｔ３）。したがって、１回の空転及び滑走で斜線部に示すトルクの減少が発生する。この一連の再粘着制御には数秒の時間を要するため、空転及び滑走が頻繁に発生する場合、車両の加速性能は著しく低下するといった問題がある。また、この再粘着制御によりトルク変動が発生するため、乗り心地が悪くなるといった問題もある。
【０００４】本発明の課題は、車両用電力変換器の制御装置の小形、低コスト化を図ると共に、再粘着制御によるトルクの減少を防止し、所定の加速性能を得て制御性能を向上させることにある。
【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、応荷重指令、ブレーキ力指令、ノッチ指令及び主回路の断流器信号等の運転上必要とする運転情報を得て一編成列車を形成する複数の車両の運転状態を決定する車両制御手段と、車両走行用電動機を駆動する電力変換器を前記決定した運転状態の指令に応じて制御する変換器制御手段を複数台備えてなる車両用電力変換器の制御装置において、一編成列車の各車両間を渡る少なくとも一つの通信ネットワークを配し、該ネットワーク上には列車走行時に１台の車両制御手段と複数台の変換器制御手段が接続されてなり、変換器制御手段によって駆動される車両走行用電動機の中で空転等の異常が発生した場合に、該当変換器制御手段からその異常情報を通信ネットワークを介して車両制御手段に送信し、車両制御手段はその受信した情報に基づき該当変換器制御手段を含め他の複数の変換器制御手段に新たな運転状態を決定した指令データを通信ネットワークを介して送信する。また、応荷重指令、ブレーキ力指令、ノッチ指令及び主回路の断流器信号等の運転上必要とする運転情報を得て一編成列車を形成する複数の車両の運転状態を決定する車両制御手段と、車両走行用電動機を駆動する電力変換器を前記決定した運転状態の指令に応じて制御する複数台の変換器制御手段とを通信ネットワークを介して送受信可能に接続すると共に、車両制御手段と複数台の変換器制御手段とのそれぞれに相互に異なるアドレスを割当て、各変換器制御手段は、車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータに含まれる電流指令値又はトルク指令値に基づいて対応する車両走行用電動機の電流を制御する電流制御手段と、自アドレスとデータ転送先である車両制御手段のアドレスを付して通信ネットワークに送信すると共に、車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備え、かつ、車両制御手段は、変換器制御手段から通信ネットワークに送信されたデータを受信して複数の変換器制御手段と対応する車両走行用電動機に対する電流指令値又はトルク指令値を決定する手段と、当該指令値データを自アドレスとデータ転送先である変換器制御手段のアドレスを付して通信ネットワークに送信すると共に、各変換器制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備えてなる。また、各変換器制御手段は、車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータに含まれる電流指令値又はトルク指令値に基づいて対応する車両走行用電動機の電流を制御すると共に、当該対応する車両走行用電動機に空転又は滑走が生じたことにより、当該車両走行用電動機への電流を制御する電流制御手段と、当該空転又は滑走データを、自アドレスとデータ転送先である車両制御手段のアドレスを付して通信ネットワークに送信すると共に、車両制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備え、かつ、車両制御手段は、変換器制御手段から通信ネットワークに送信された空転又は滑走データを受信して複数の変換器制御手段と対応する車両走行用電動機に対する電流指令値又はトルク指令値を決定する手段と、当該指令値データを自アドレスとデータ転送先である変換器制御手段のアドレスを付して通信ネットワークに送信すると共に、各変換器制御手段から自アドレスが指定されて送信されたデータを受信するネットワーク制御手段を備えてなる。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態による車両用電力変換器の制御装置を示す。なお、本実施形態では２台のインバータ装置を駆動する場合について説明する。本実施形態において、車両制御手段１は、マイコン１１、アナログインタフェース１２、デジタル入力インタフェース１３、デジタル出力インタフェース１４、プログラムメモリ１５、作業メモリ１６、ネットワークインタフェース１７からなり、アナログ入力インタフェース１２にブレーキ受量器３から出力される応荷重指令３１とブレーキ力指令３２を入力し、デジタル入力インタフェース１３にマスコン４から出力されるノッチ指令４１及び断流器５の接点信号５１を入力する。一方、デジタル出力インタフェース１４から出力される駆動信号５２は断流器５に入力する。マイコン１１は、アナログインタフェース１２及びデジタル入力インタフェース１３からアナログ信号及びデジタル信号を取り込み、プログラムメモリ１５に格納された処理手順に従って作業メモリ１６を用いて後述する処理を行い、車両の運転状態を決定する。ここで決定した運転状態をネットワークインタフェース１７を介してシリアル伝送路１０に出力する。次に、２台の変換器制御手段２ａ，２ｂは、マイコン２１ａ，２１ｂ、アナログインタフェース２５ａ，２５ｂ、ネットワークインタフェース２７ａ，２７ｂ、プログラムメモリ２２ａ，２２ｂ、作業メモリ２３ａ，２３ｂ、パルスインタフェース２４ａ，２４ｂ、ロジック回路２６ａ，２６ｂ、インバータ装置６ａ，６ｂ、誘導電動機７ａ，７ｂ、パルス発生器８ａ，８ｂからなり、マイコン２１ａ，２１ｂはネットワークインタフェース２７ａ，２７ｂを介してシリアル伝送路１０から運転状態に関する指令を取り込み、プログラムメモリ２２ａ，２２ｂに格納された処理手順に従ってそれぞれ作業メモリ２３ａ，２３ｂを用いて後述する処理を行う。マイコン２１ａ，２１ｂは、最終的にロジック回路２６ａ，２６ｂを介してＰＷＭパルス信号２６１ａ，２６１ｂを出力し、インバータ装置６ａ，６ｂを駆動する。これにより、３相誘導電動機７ａ，７ｂの速度が制御される。３相誘導電動機７ａ，７ｂの速度は、パルス発生器８ａ，８ｂで速度に比例したパルス列８１ａ，８１ｂに変換し、パルスインターフェース２４ａ，２４ｂを介してマイコン２１ａ，２１ｂに入力する。また、電流検出器９ｕａ，９ｖａ，９ｗａ及び９ｕｂ，９ｖｂ，９ｗｂで検出した電動機電流９１ａ，９２ａ，９３ａ及び９１ｂ，９２ｂ，９３ｂとインバータ装置６ａ，６ｂの直流電源電圧６１ａ，６１ｂはアナログ入力インタフェース２５ａ，２５ｂを介してマイコン２１ａ、２１ｂに入力する。
【０００７】以下、車両制御手段１の機能及び処理について、図２〜図９を用いて説明する。図２は、車両制御手段１の機能ブロック図を示す。図示のように、応加重指令３１、ブレーキ力指令３２を切り替え手段１ａに入力し、ノッチ信号４１ａ〜４１ｅをノッチ判定手段１ｂに入力する。ノッチ判定手段１ｂは、ノッチ信号４１ａ〜４１ｅに基づいて力行又はブレーキ状態を”１”又は”０”で示すＰＢ信号４１１を出力し、これに従って、切り替え手段１ａは応加重指令３１又はブレーキ力指令３２の何れか一方をトルク指令値３１２として出力する。減算手段１ｊは、トルク指令値３１２から異常処理手段１ｅが出力するトルク補正値３１４を減算した最終的なトルク指令値３１３を算出し、出力メモリ１ｆに格納する。また、ノッチ判定手段１ｂは、ノッチ信号４１ａ〜４１ｅを図３（ａ）に示す２バイトのノッチ情報４１２に変換して出力する。一方、断流器５の接点信号５１は、断流器制御手段１ｃに入力され、これに基づいて断流器制御手段１ｃは、断流器５のオン、オフ状態を”１”又は”０”で示すＬＢ信号５１１を出力する。シーケンス処理手段１ｄは、ノッチ情報４１２とＬＢ信号５１１に基づいてインバータ装置２ａ，２ｂのスタートタイミングを判定する。この結果、図３（ｂ）に示すように、ノッチ情報４１２の最上位ビットにスタートフラグ（”１”でインバータスタート）を付加したノッチ情報５１２を出力し、出力メモリ１ｆに格納する。
【０００８】ここで、出力メモリ１ｆの構成を図４に示す。図中＋０〜＋６番地は全ての変換器に共通な情報を格納する領域、＋８〜＋１４番地は変換器制御手段２ａ固有の情報を格納する領域、＋１６〜＋２２番地は変換器制御手段２ｂ固有の情報を格納する領域である。なお、＋２４番地以降は変換器制御手段を増設した場合の予備領域である。この構成において、＋０，＋８，＋１６番地には送信元である車両制御手段１のアドレス（本実施形態では＄００００）を送信時にセットする。ただし、送信する必要がない場合はこの番地のデータを＄ＦＦＦＦとする。また、＋２，＋１０，＋１８番地には受信先である変換器制御手段２ａ，２ｂに共通のアドレス（本実施形態では＄００００）及び個別のアドレス（本実施形態では＄０００１，＄０００２）を常にセットする。
【０００９】さて、切り替え手段１ａから出力されたトルク指令値３１２とシーケンス処理手段１ｄから出力されたノッチ情報５１２は、通常全ての変換器制御手段に共通の情報として図示＋４及び＋６番地に格納されると共に、シーケンス処理手段１ｄにより＋０番地に車両制御手段１のアドレス＄００００がセットされる。ネットワーク制御手段１ｈは、＋０番地のデータが＄００００となったことにより、送信要求が発生したと判断し、ネットワーク１０上に＋０〜＋６番地のデータを出力する。一方、ネットワーク制御手段１ｈは、シーケンス処理手段１ｄからの送信要求により出力メモリ１ｆに格納されているデータを、ネットワーク１０上に出力すると共に、ネットワーク１０を介して変換器制御手段２ａ，２ｂから送信されたデータを取り込み、入力メモリ１ｇに格納する。なお、変換器制御手段２ａ，２ｂからの送信データには後述する異常データと、速度、電圧値、電流値等の一定周期で出力される定期データがあるが、定期データについてはここでは詳細な説明を省略する。
【００１０】ここで、入力メモリ１ｇの構成を図５に示す。図中＋０〜＋６番地は変換器制御手段２ａからのデータ、＋８〜＋１４番地は変換器制御手段２ｂからのデータである。なお、＋１６番地以降は変換器制御手段を増設した場合の予備領域である。この構成において、＋０，＋８番地には送信元である変換器制御手段２ａ，２ｂのそれぞれのアドレス＄０００１，＄０００２が格納され、＋２，＋１０番地には受信先である車両制御手段１のアドレス＄００００が格納され、＋４，＋１２番地には変換器制御手段２ａ，２ｂからのデータである異常情報が格納される。なお、＋６，＋１４番地は予備領域である。
【００１１】さて、変換器制御手段２ａ，２ｂからの異常情報としては、図６に示すように、空転又は滑走、過電圧、過電流、ＰＷＭパルス異常等がある。異常処理手段１ｅは、入力メモリ１ｇから異常情報５２３を読み出し、これらの情報を基に適当なトルク補正値３１４を出力して異常を発生した変換器制御手段或いは正常な変換器制御手段の出力を制限するか、または、シーケンス処理手段１ｄから出力されるノッチ情報５１２のスタートフラグリセット信号５２２（”１”のときスタートフラグリセット）を出力し、異常を発生した変換器制御手段或いは全ての変換器制御手段を停止させる。例えば、誘導電動機７ａが空転（又は、滑走）した場合、車両制御手段１が変換器制御手段２ｂに対してトルク指令値を低減する指令を送信し、変換器制御手段２ｂが同時にトルクを減少させる。このため粘着制御性能が向上する。
【００１２】以上説明した車両制御手段１の機能を実現するマイコン１１の処理手順を図７のフローチャートに示す。まず、ノッチ信号４１ａ〜４１ｅを取り込み（手順１００）、力行であると判定した場合（手順１０１）は、応荷重指令３１をトルク指令値３１２として出力メモリ１ｆに格納する（手順１０２）。一方、手順１０１において力行でないと判定され、ブレーキであると判定した場合（手順１０３）は、ブレーキ力指令３２をトルク指令値３１２として出力メモリ１ｆに格納する（手順１０４）。なお、手順１０１、手順１０３において力行、ブレーキの何れでもないと判定した場合は惰行或いは停止状態のため、以下の処理をバイパスし、定期データを受信して（手順１１１）終了する。次に、異常情報の有無をチェックし（手順１０５）、異常がある場合は異常処理を実行する（手順１０６）。
【００１３】異常処理ルーチンを図８に示す。図８では、図６に示す各変換器制御手段からの異常情報を参照して以下の処理を実行する。パルス異常の有無（手順１０６１）、過電流の有無（手順１０６２）及び過電圧の有無（手順１０６３）をチェックし、何れか一つでも異常の有る場合は該当する変換器制御手段を停止するためのリセット信号５２２を出力する（手順１０６４）。手順１０６１〜１０６３において異常がない場合は、空転或いは滑走であるかを判定し（手順１０６５）、空転或いは滑走の場合はトルク補正値３１４を出力する（手順１０６６）。手順１０６５において空転或いは滑走でない場合は手順１０６６をバイパスして異常処理を終了する。
【００１４】手順１０５において異常がない場合は、手順１０６の異常処理をバイパスし、断流器駆動信号５２を出力した後に（手順１０７）、断流器の接点信号５１を取り込み（手順１０８）、断流器の投入完了をチェックする（手順１０９）。断流器の投入が完了したと判定した場合は、変換器制御手段２ａ，２ｂに対して図９に示す指令データ２００を送信する（手順１１０）。また、手順１０９において断流器が投入されていないと判定した場合は、以下の処理をバイパスし、定期データを受信して（手順１１１）終了する。以上の一連の処理を所定の周期で繰り返す。なお、指令データ２００は、図９に示すように、出力メモリ１ｆの内容の１ブロック分の構成であり、送信元（車両制御手段１）アドレス２０１、受信先（変換器制御手段２ａ、２ｂ）アドレス２０２、トルク指令値２０３及びノッチ情報２０４からなる。
【００１５】次に、変換器制御手段２ａ，２ｂの機能及び処理を図１０〜図１４を用いて説明する。ただし、変換器制御手段２ａ，２ｂは同一のため、ここでは変換器制御手段２ａについてのみ説明する。図１０は、変換器制御手段２ａの機能ブロック図を示す。図示のように、ネットワーク制御手段２ａ−１は、ネットワーク１０を介して変換器制御手段２ａに対する指令データ２００（図９）を取り込み、入力メモリ２ａ−２に格納する。この内容は、図１１に示すように、＋０番地が送信元アドレス（本実施形態では車両制御手段１：＄００００）、＋２番地が受信先アドレス（変換器制御手段２ａ：＄０００１）、＋４番地がトルク指令値、＋６番地がノッチ情報である。運転状態判定手段２ａ−３は、入力メモリ２ａ−２のノッチ情報２２１を参照して起動信号２３１（”１”で起動、”０”で停止）と、力行／ブレーキ、前進／後進等の運転状態指令２３２を出力する。電流パターン演算手段２ａ−４は、運転状態指令２３２と入力メモリ２ａ−２のトルク指令値２２２及びアナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と略称する。）２ａ−５でデジタル値に変換した直流電源電圧２５１を用いて力行又はブレーキ時の電流パターン２４１を出力する。滑り周波数演算手段２ａ−９は、電流パターン２４１とＡ／Ｄ変換器２ａ−６〜２ａ−８でデジタル値に変換したＵ相電動機電流２６１、Ｖ相電動機電流２７１、Ｗ相電動機電流２８１を用いて電流パターン２４１に応じた電動機電流を得るための滑り周波数２９１を出力する。速度演算手段２ａ−１０は、図１に示すパルス発生器８ａから出力されるパルス列８１ａを（１）式に代入して電動機速度２１０１を算出する。
Ｆｒ＝Ｎｐ／３０ （１）
ここで、Ｎｐ：電動機の回転数に対応するパルス数（３０パルス／１回転の場合）
Ｆｒ：電動機速度（Ｈｚ）
周波数演算手段２ａ−１１は、滑り周波数２９１と電動機速度２１０１を（２）式に代入して周波数指令値２１１１を算出する。
Ｆｉ＝Ｆｓ＋Ｆｒ （２）
ここで、Ｆｉ：周波数指令値（Ｈｚ）
Ｆｓ：滑り周波数（Ｈｚ）
変調率演算手段２ａ−１２は、電流パターン２４１と周波数指令値２１１１より電圧指令値２１２１を出力する。ＰＷＭ演算手段２ａ−１３は、前記周波数指令値２１１１と電圧指令値２１２１に応じて、図１に示すインバータ装置６ａを駆動するためのＰＷＭパルス信号２６１ａを出力する。異常検知手段２ａ−１５は、デジタル値に変換した直流電源電圧２５１に対する過電圧の検知、３相の電動機電流２６１、２７１、２８１に対する過電流の検知、電動機速度２１０１による空転又は滑走の検知及びＰＷＭパルス信号の異常を検知し、異常フラグ２１５１を出力（”０”で正常，”１”で異常）すると共に、出力メモリ２ａ−１６に異常情報（図６）を格納する。出力メモリ２ａ−１６の内容は、図１２に示すように、＋０番地が変換器制御手段２ａのアドレス（＄０００１）、＋２番地が車両制御手段１のアドレス（＄００００）、＋４番地が異常情報、＋６番地が予備である。起動制御手段２ａ−１７は、運転状態判定手段２ａ−３から出力される起動信号２３１が”１”であり、異常検知手段２ａ−１５から出力される異常フラグ２１５１が”０”のとき、ＰＷＭ演算手段２ａ−１３に対してＰＷＭパルス信号の出力を許可するゲートスタート信号２１７１を出力する。ネットワーク制御手段２ａ−１は、出力メモリ２ａ−１６の＋０番地に変換器制御手段２ａのアドレスが格納されたことにより、図１３に示すように、送信元アドレス３０１、受信先アドレス３０２、異常情報３０３及び予備３０４からなる異常データ３００をネットワーク１０に出力する。
【００１６】以上説明した変換器制御手段２ａの機能を実現するマイコン２１ａの処理を図１４のフローチャートにより説明する。異常検知手段２ａ−１５により異常の有無を確認し（手順１２０）、空転／滑走による異常である場合は（手順１２１）、電流パターンを絞り、再粘着制御を実行する（手順１２２）。一方、過電圧、過電流又はＰＷＭパルス信号による異常である場合は、電流パターンを”０”とすると共に（手順１２３）、ＰＷＭパルス信号２６１ａを停止する（手順１２４）。更に、出力メモリ２ａ−１６の＋２，＋４番地に車両制御手段１のアドレス（＄００００）及びこれらの異常情報を格納し（手順１２５）、＋０番地に変換器制御手段２ａのアドレス（＄０００１）を格納する（手順１２６）。これにより、ネットワーク制御手段２ａ−１は異常データ３００をネットワーク１０に出力し（手順１２７）、処理を終了する。
【００１７】しかし、手順１２０において異常が無く、車両制御手段１からの指令データ２００を受信し、入力メモリ２ａ−２に格納した場合は（手順１２８）、まず、ノッチ情報を取り込む（手順１２９）。このノッチ情報を基に起動（図３（ｂ）のスタートフラグが”１”）と判定した場合（手順１３０）は、運転状態を判定する（手順１３１）。運転状態が力行であると判定した場合は、トルク指令値２２２と直流電源電圧２５１に応じた力行時の電流パターン２４１とこれに基づいたＰＷＭパルス信号２６１ａを発生する（手順１３３）。また、手順１３１において力行でないと判定し、ブレーキであると判定した場合は（手順１３２）、トルク指令値２２２と直流電源電圧２５１に応じたブレーキ時の電流パターン２４１とこれに基づいたＰＷＭパルス信号２６１ａを発生する（手順１３４）。手順１３２においてブレーキでないと判定した場合は、電流パターン２４１を”０”とする（手順１３５）と共に、ＰＷＭパルス信号２６１ａの出力を停止する（手順１３６）。一方、手順１２８において指令データ２００が無い場合又は手順１３０において起動でないと判定した場合（図３（ｂ）のスタートフラグが”０”）は、その時点の運転状態を判定し（手順１３７）、既に力行の処理を実行中の場合は手順１３３において引き続き、力行の処理を行う。また、手順１３７において力行中でないと判定し、ブレーキの処理を実行中と判定した場合（手順１３８）は、手順１３４において引き続き、ブレーキの処理を実行する。手順１３７、手順１３８において、力行、ブレーキの何れも実行中でないと判定した場合は、手順１３５と手順１３６の処理を実行し、最後に定期データを送信して（手順１３９）終了する。以上の一連の処理を所定の周期で繰り返す。
【００１８】ここで、例えば、誘導電動機７ａが空転（又は、滑走）した場合、出力メモリ２ａ−１６に空転（又は、滑走）データが格納され、ネットワーク制御手段２ａ−１によってネットワーク１０に出力されるので、車両制御手段１では、この空転（又は、滑走）データを入力メモリ１ｅ（図２）に格納し、異常処理１ｅしてトルク指令値を空転量（又は、滑走量）に応じたトルク補正値に補正し、出力メモリ１ｆに格納すると共に、ネットワーク制御手段１ｈから変換器制御手段２ｂに対してトルク指令値を低減する指令をネットワーク１０に出力する。変換器制御手段２ｂではこの指令を受け、処理フロー（図１４）の手順１２０、手順１２８、手順１２９、手順１３０、手順１３７、手順１３３にしたがって誘導電動機７ｂのトルクを減少させる。誘導電動機７ｂが空転（又は、滑走）した場合も同様である。このように、２台の誘導電動機のうち１台が空転／滑走した場合、他の誘導電動機のトルクを同時に低減させるため、粘着制御性能が向上する。なお、本実施形態では、１台の制御装置によって２台のインバータ装置を制御し、２台の誘導電動機を駆動する場合について説明したが、１台の制御装置によって２台以上の複数台のインバータ装置を制御し、２台以上の複数台の誘導電動機を駆動することができることは云うまでもない。
【００１９】本実施形態によれば、複数台のインバータ装置を１台の車両制御手段によって制御するので、システム全体の小形化が可能になると共に、実装面で配線量の占める割合を低減し、低コスト化が図られる。また、複数台の誘導電動機のうち１台が空転／滑走した場合、１台の車両制御手段によって他の誘導電動機のトルクを同時に低減する。このため粘着制御性能が向上する。
【００２０】次に、本実施形態において、空転及び滑走が発生した場合の動作について、以下に説明する。本説明では、図１５に示すように、変換器制御手段２ａ、インバータ装置６ａ及び誘導電動機７ａが車両の進行方向に対して前方に設置されているものと仮定する。基本的な考え方としては、車両が図１５の矢印方向に進行するとして、車輪Ａが空転した場合、車輪Ａの空転はその地点（以下、空転地点とする。）の踏面状態が悪い状態にあるためであり、続いてこの空転地点を通過する車輪Ｂも空転することが予想（予測）される。そこで、本実施形態では、車輪Ｂの空転が予測される空転地点に車輪Ｂが到達するまでに、変換器制御手段２ｂの出力トルクを低減し、車輪Ｂの空転を防止することを特徴とし、結果的に加速性能を向上させることにある。ここで、事前に変換器制御手段２ｂの出力トルクを低減する方法としては、車輪Ａが空転した時点から電流指令値を直ちに低減する方法、空転地点に達する直前に電流指令値を低減する方法、或いは、空転地点に達する直前に空転持続時間に比例して電流指令値を低減する方法等の様々な方法が考えられるが、本実施形態では、空転地点に達する直前に空転持続時間に比例して電流指令値を低減する方法により、空転地点に達する前後所定時間出力トルクすなわち電流指令値を低減する方法を例に説明する。なお、ここでは前記所定時間を１秒とするが、これは一例であり、任意に設定可能である。まず、図示車輪Ａ（誘導電動機７ａで駆動）が空転した場合、変換器制御手段２ａは図１４に示す処理において再粘着制御（手順１２２）を実行し、更に手順１２５、１２６、１２７にて異常情報を車両制御手段１に対して送信する。車両制御手段１は、この異常情報を受信し、図７の手順１０６において異常処理を実行する。異常処理は、図８のフローチャートに示すように、手順１０６１〜手順１０６６の処理を行う。
【００２１】さて、本実施形態における空転の場合は、前記手順１０６６において図１６及び以下の説明に示すトルク補正演算を実行する。すなわち、まず、変換器制御手段２ａ、２ｂから送信される定期データの速度情報を基に車両速度ｖを求め（手順１０６６１）、次に、車輪Ａと車輪Ｂの間隔Ｌを（３）式に代入して車輪Ｂが空転地点に達するまでの時間Ｔを算出し、この時間Ｔになる前に補正を開始するとして、その補正開始時間Ｔ１、及びこの時間Ｔの後に補正を終了するとして、補正終了時間Ｔ２を求める（手順１０６６２）。例えば、車両速度３０ｋｍ／ｈ、車輪間隔Ｌが２０ｍとすると、時間Ｔは２．４ｓとなり、この時間２．４ｓの前後に１秒間補正を行うとすると、Ｔ１＝１．４ｓ、Ｔ２＝３．４ｓとなる。
Ｔ＝Ｌ／ｖ （３）
最後に、変換器制御手段２ｂの電流指令値Ｉｐの補正量ΔＩｐを（４）式に示すように空滑信号の持続時間Δｔに比例する値として算出し（手順１０６６３）、所定のメモリに格納する（手順１０６６４）。この結果は図７の手順１１０において、図１７に示す電流指令値Ｉｐ’になるように制御される。
ΔＩｐ＝ｋ・Δｔ Ｉｐ’＝Ｉｐ−ΔＩｐ （４）
ここで、ｋ：比例定数図１７において、（ａ）は空滑信号であり、車輪Ａが空転地点で空転したことを表す。（ｂ）は変換器制御手段２ａから指令する出力電流であり、空転発生時に出力電流は減少し、その後徐々に増加する。（ｃ）は変換器制御手段２ｂの電流指令値であり、時間Ｔは（３）式により求めた車輪Ｂが空転地点に達するまでの時間、時間Ｔ１及びＴ２はそれぞれ補正開始時間（車輪Ｂが空転地点に達する前の時間）及び補正終了時間（車輪Ｂが空転地点に達した後の時間）を表す。例えば、図１８に示すように、車輪Ａの空滑信号の持続時間をΔｔとしたとき、車輪Ｂに対する変換器制御手段２ｂの電流指令値１．０（＝Ｉｐ）の補正量はΔＩｐとなり、補正量ΔＩｐは補正開始時間１ｓ（Ｔの１秒前＝Ｔ１に相当）と補正終了時間１ｓ（Ｔの１秒後＝Ｔ２に相当）の間継続し、変換器制御手段２ｂの電流指令値Ｉｐは細線（本発明によるトルク減少分として図示）によって示す電流パターンをとる。因に、図２０に示す従来例では太線（斜線部は従来の再粘着制御によるトルク減少分として図示）によって示す電流パターン（絞り時間０．５ｓ、保持時間０．２ｓ、戻し時間５ｓ）をとる。図１８において、ΔＩｐが２０％の場合、従来の再粘着制御に比べて空転１回当たりのトルクの減少を約１／７に低減できる。
【００２２】次に、図１５に示す車輪Ｂ（誘導電動機７ｂで駆動）が空転した場合について、図１９を用いて説明する。車輪Ｂが空転した場合、変換器制御手段２ｂは、変換器制御手段２ａと同様に図１８の斜線部で示す粘着制御を実行するため、図１９（ｂ）のように出力電流すなわちトルクが減少する。そこで、車両制御手段１は、変換器制御手段２ａに対して、図１９（ｃ）のように再粘着制御を実行している時間Ｔｓの間、電流指令値Ｉｐを補正分ΔＩｐだけ増加させ、Ｉｐ’となるように補正する。これにより車両全体としての加速性能を保持することができる。ここで、電流指令値Ｉｐの補正分ΔＩｐは基本的には変換器制御手段２ｂで減少するトルクに見合ったものとすることが望ましいが、誘導電動機に流せる電流の許容値を考慮した値に制限する必要がある。このため、本実施形態では、（５）式に示すように、補正後の電流指令値Ｉｐ’が電流指令値の最大値Ｉｐｍａｘ以下となるように制御する。
ΔＩｐ＝ｋ・Δｔ Ｉｐ’＝Ｉｐ＋ΔＩｐ ただし、Ｉｐ’＞Ｉｐｍａｘの場合 Ｉｐ’＝Ｉｐｍａｘ （５）
ここで、ｋ：比例定数【００２３】以上の説明から明らかなように、本実施形態では、空転及び滑走の発生頻度を低減できると共に、空転及び滑走が発生した場合でも車両全体としてのトルクの減少を最小限にすることができるため、所定の加速性能を得ることができる。また、これにより、空転及び滑走の発生しやすい線路条件下における乗り心地の低下も防止することができる。
【００２４】なお、本実施形態では、シリアル通信手段をバス形とする構成について説明したが、本発明は、車両制御手段１をホストとするスター形の構成としてもよいことは明白である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、車両制御手段を複数の変換器制御手段に対して１台設置すれば、複数台のインバータ装置を制御し、複数台の電動機を駆動することができるため、システム全体の小形化が可能になると共に、実装面で配線量の占める割合を低減し、低コスト化が図られる。また、複数台の誘導電動機のうち１台が空転及び滑走した場合、１台の車両制御手段によって他の誘導電動機のトルクを同時に低減できるため、粘着制御性能を向上させることができる。また、空転及び滑走の発生頻度を低減できると共に、空転及び滑走が発生した場合でも車両全体としてのトルクの減少を最小限にすることができるため、所定の加速性能を得ることができる。また、これにより、空転及び滑走の発生しやすい線路条件下における乗り心地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
【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９年９月２４日（１９９７．９．２４）
【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２００３−３０９９０１（Ｐ２００３−３０９９０１Ａ）
【公開日】 平成１５年１０月３１日（２００３．１０．３１）
【出願番号】 特願２００３−１４７４７２（Ｐ２００３−１４７４７２）