CN101682277B

CN101682277B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN101682277B
Application number: CN2007800532266A
Authority: CN
Inventors: 北中英俊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nexgen Control Systems LLC
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: EP2154778B1; WO2008149447A1; US8228008B2; CA2689682A1; EP2154778A4; US20100171448A1; EP2154778A1; KR101062602B1; JPWO2008149447A1; ES2625458T3; JP4297971B2; KR20100005154A; CN101682277A

Abstract

在包括控制与多台交流电动机分别对应设置的多个逆变器的控制部的电动机控制装置中，可以有效区分控制部内的各计算部的处理内容，降低尺寸、质量和成本。控制多个逆变器的控制部(10)包括：计算输出与各逆变器部相关的共同的控制信号的第一共同计算部(20)、第二共同计算部(30)；个别计算输出与各逆变器部分别相关的控制信号的个别计算部(40A)、(40B)；以及基于来自第一共同计算部(20)、第二共同计算部(30)及个别计算部(40A)、(40B)的信号输出用于对各逆变器部进行开关控制的栅极信号的共同逻辑计算部(60)。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及电车驱动用的交流电动机，特别涉及适合控制永磁同步电动机的电动机控制装置。

背景技术

在根据已有技术的电车的控制装置中，其结构一般为一台逆变器并行一并驱动分别安装在电动车车厢的多个车轴的多个感应电动机(例如下述专利文献1)。

作为用一台逆变器并行一并驱动多个感应电动机时的技术问题，可以举出有被一台逆变器一并驱动的多个车轮的直径(以下称作“车轮直径”)因磨损程度的差异而需要进行不同的处理。

已知感应电动机的旋转速度(＝转子频率)是逆变器频率与转差频率相加的值。另一方面，在用一台逆变器一并驱动多个感应电动机时，该转差频率具有较大的意义。这是因为，多个感应电动机间共同的逆变器频率、与多个感应电动机间不同的转子频率之差被转差频率吸收。

此处，以多个车轮在轨道上旋转且不滑动的情况为例进行具体说明。

电动机的旋转速度在车轮直径比其他车轮大(即车轮周长较长)时小于该其他车轮的旋转速度，反之，在车轮直径比其他车轮小(即车轮周长较短)时大于该其他车轮的旋转速度。另一方面，由于逆变器频率是共同的，因此该旋转速度差为施加在各感应电动机上的转差频率差。此时，在多个感应电动机间，会产生与转差频率之差相应的产生转矩的差异，但一般而言，由于感应电动机的额定转差频率被设定为假定的车轮直径之差不产生影响的程度，因此产生转矩的差异较小，不会带来实用上的问题。

这样，用一台逆变器并行一并驱动多个电动机也与其他优点结合在一起，采用感应电动机时较为理想。另外，通过采用用一台逆变器并行一并驱动多个感应电动机的结构，由于无论装载在车辆上的感应电动机的数量如何，都可以使逆变器的台数最少，因此可以使控制装置更小型化、轻量化。

然而，近年来，在产业设备或家电领域中，越来越多地采用由逆变器驱动的永磁同步电动机。

永磁同步电动机与感应电动机相比，由于通过永磁体建立磁通，因此不需要励磁电流，另外，由于在转子中没有电流流过，因此具有不会产生二次铜损、效率较高这样的优点。因此，近年来，为了将永磁同步电动机用作为电车驱动用的电动机，正进行各种研究。

专利文献1：日本专利特开2006-014489号公报

发明内容

本发明要解决的问题

将永磁同步电动机用作为电车驱动用的电动机时的问题在于，如何用最小的装置结构实现多台永磁同步电动机。

另外，已知永磁同步电动机的逆变器频率与转子频率是同步动作。因此，如上所述，不能用一台逆变器并行一并驱动旋转速度不同的多个永磁同步电动机。

因此，在将永磁同步电动机用于电车时，对每一台永磁同步电动机都需要驱动用逆变器。然而，在电车的情况下，由于其结构为利用编组中的多台电动机驱动各车轮，因此需要的逆变器的数量增加。其结果是，用于控制增加的逆变器的控制部的规模或成本增大，进而无法避免控制装置的尺寸、质量和成本的增加。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种电动机控制装置，该电动机控制装置包括控制与多台电动机分别对应设置的多个逆变器的控制部，其中，将根据各电动机配置的各计算部有效地配置在控制部内，并且通过有效地区分各计算部的计算处理内容，可以降低尺寸、质量和成本。

用于解决问题的方法

为了解决上述问题、达到目的，本发明所涉及的电动机控制装置控制多个交流电动机，其特征是，包括：直流电压源；多个逆变器部，该多个逆变器部与上述多个交流电动机分别对应设置，将使用来自上述直流电压源的直流电压而转换的规定频率的交流电压输出至上述各交流电动机；接触器，该接触器将上述各逆变器部的输出侧进行开关；电压检测器，该电压检测器检测提供给上述各逆变器部的直流电压；电流检测器，该电流检测器检测上述各交流电动机的电流；以及控制部，该控制部基于来自外部的控制指令、上述电压检测器的检测电压、上述电流检测器的检测电流、和表示上述交流电动机的旋转状态的信号，至少对上述逆变器部输出控制信号，上述控制部包括：具有顺序处理部、保护检测部和通信控制部的第一共同计算部，该顺序处理部基于从外部输入的运行指令信号，按照预先决定的顺序逻辑生成包含了转矩指令的生成所使用的指令的第一控制信号并输出，该保护检测部基于上述交流电动机和上述电动机控制装置的各构成部的状态信号，检测表示控制装置各部分的电压和电流超过预定值的异常状态，生成表示该异常状态的异常检测信号即第二控制信号并输出到向各上述逆变器部输出栅极信号的栅极逻辑部，由此使各上述逆变器部停止，向上述通信控制部输入上述状态信号且该通信控制部输出状态通知信号；具有基本转矩指令生成部的第二共同计算部，该基本转矩指令生成部基于从上述第一共同计算部输入的上述第一控制信号所包含的动力运行指令、制动指令及其各自的大小的指令，生成与多个上述逆变器部共同的基本转矩指令并输出；个别计算部，该个别计算部基于从上述第二共同计算部输入的上述基本转矩指令，个别生成与上述各逆变器部分别相关的第三控制信号并输出；以及共同逻辑计算部，该共同逻辑计算部基于从上述第一共同计算部输入的上述第二控制信号、和从多个上述个别计算部输入的上述第三控制信号，计算输出用于对上述各逆变器部进行开关控制的上述第一栅极信号，并且，对于多个上述个别计算部共同设置，使得与上述各逆变器部对应的各上述第一栅极信号向各自对应的各栅极逻辑部输出，由此可以同时断开各第一栅极信号。

发明的效果

根据本发明所涉及的电动机控制装置，由于将控制部的计算部的结构区分为：个别计算输出与各逆变器部分别相关的控制信号的个别计算部；具有计算输出与各逆变器部相关的共同的控制信号的第一共同计算部及第二共同计算部的共同计算部；以及相对于多个个别计算部共同设置的共同逻辑计算部，并且，第一共同计算部包括：基于从外部输入的运行指令信号、按照预先决定的顺序逻辑生成包含了转矩指令的生成所使用的指令的第一控制信号并输出的顺序处理部；基于交流电动机和电动机控制装置的各构成部的状态信号，检测表示控制装置各部分的电压和电流超过预定值的异常状态、生成表示该异常状态的异常检测信号即第二控制信号并输出到向各逆变器部输出栅极信号的栅极逻辑部，由此使各逆变器部停止的保护检测部；以及将从电流检测器、电压检测器输入的检测电流及检测电压、从保护检测部输入的异常检测状态信号、及从顺序处理部输入的表示顺序状态的信号输出至外部的设备状态监视装置的通信处理部，第二共同计算部包括基于从第一共同计算部输入的第一控制信号所包含的动力运行指令、制动指令及其各自的大小的指令、面向与各逆变器部对应的个别计算部生成共同的基本转矩指令并输出的基本转矩指令生成部，个别计算部具有基于从第二共同计算部输入的基本转矩指令、个别生成与各逆变器部分别相关的第三控制信号并输出的功能，共同逻辑计算部包括基于从第一共同计算部输入的第二控制信号和从多个个别计算部输入的第三控制信号计算输出用于对各逆变器部进行开关控制的第一栅极信号、与各逆变器部对应的各第一栅极信号向各自对应的各栅极逻辑部输出，由此可以同时断开各第一栅极信号的功能，因此具有的效果是：可以有效地区分各计算部的计算处理内容，并且将对各电动机相应配置的各计算部有效地配置在控制部内，可以降低尺寸、质量和成本。

附图说明

图1是表示本发明的理想的实施方式的电动机控制装置的结构例的图。

图2是表示本发明的理想的实施方式的控制部的结构例的图。

图3是表示基本转矩指令TP0的一个例子的图。

标号说明

1集电装置

2轨道

3车轮

4架线

10控制部

20第一共同计算部

21顺序处理部

22保护检测部

23通信处理部

30第二共同计算部

31基本转矩指令生成部

32平均化处理部

40A、40B个别计算部

41A、41B转矩指令计算部

42A、42B空转控制部

43A、43B INV控制部

50整流器控制部

51CNV控制部

60共同逻辑计算部

61A、61B、62栅极逻辑部

63速度计算部

64接触器逻辑部

65高速保护检测部

66或门电路

100控制装置

CNV整流器部

CT1第一电动机电流传感器

CT2第二电动机电流传感器

CTS输入电流传感器

FC滤波电容器

INV1第一逆变器部

INV2第二逆变器部

K输入侧接触器

M1第一永磁同步电动机

M2第二永磁同步电动机

MMK1、MMK2电动机侧接触器

PT输入电压检测器

RZ1第一旋转传感器

RZ2第二旋转传感器

SQ顺序状态

TRF变压器

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明的理想的实施方式所涉及的电动机控制装置。另外，本发明不限于以下的实施方式。

图1是表示本发明的理想的实施方式的电动机控制装置的结构例的图。该图中，本实施方式的控制装置100包括从输入级侧依次设置的输入电压检测器PT、输入侧接触器K、输入电流传感器CTS、整流器部CNV、滤波电容器FC、第一逆变器部INV1、第二逆变器部INV2、第一电动机电流传感器CT1、第二电动机电流传感器CT2、以及第一电动机侧接触器MMK1、第二电动机侧接触器MMK2而构成。

另外，如图1所示，变压器TRF的一次侧的一端通过集电装置1与架线4连接，另一端通过车轮3与地电位即轨道2连接。即，来自变电站(省略图示)的输电功率通过架线4、集电装置1、车轮3及轨道2接收。

接下来，说明构成控制装置100的各部分的配置、连接结构、功能以及各部分间的动作。

(输入电压检测器PT)

图1中，变压器TRF的二次侧连接至控制装置100，来自该TRF的输出电压向输入侧接触器K输入，该接触器K具有将控制装置100从变压器TRF侧隔开的功能。变压器TRF的二次侧的电压即输入电压VS通过输入电压检测器PT输入至控制部10。另外，由于变压器TRF的二次侧电压通常为高压(1500V左右)，因此其结构也可以为对变压器TRF设置低压绕组并从此处得到输入电压VS。

(输入侧接触器K)

输入侧接触器K是具有可以开关几百安电流的能力的接触器，在使控制装置100停止时、或产生异常时设定为断开的状态，在通常运行时设定为接通状态。另外，控制指令KC从控制部10输出至输入侧接触器K，通过将内置的闭合线圈接通/断开，进行主触点的开关控制。另外，输入侧接触器K的主触点的状态例如利用机械联动的辅助触点等作为触点状态信号KF返回控制部10。

(输入电流传感器CTS)

在输入侧接触器K的下一级设置用于检测输入电流IS的输入电流传感器CTS。由输入电流传感器CTS检测到的输入电流IS输入至控制部10。

(整流器部CNV)

在输入电流传感器CTS的下一级设置将输入的交流电压转换为直流电压VD并输出至滤波电容器FC的整流器部CNV。整流器部CNV具有由IGBT等开关元件构成的桥式电路，一般而言是使各开关元件进行PWM动作的所谓电压式PWM整流器的结构。向整流器部CNV从控制部10输入对各开关元件的栅极信号CG，反之，整流器部CNV向控制部10输出各开关元件的动作状态信号CGF。另外，由于电压式PWM整流器的结构及动作是已知的技术，因此省略详细的说明。

(滤波电容器FC)

在整流器部CNV的输出侧连接滤波电容器FC。另外，与滤波电容器FC的正负端子并联连接第一逆变器部INV1及第二逆变器部INV2，对它们分别提供整流器部CNV的输出电压即直流电压VD。

(第一逆变器部INV1、第二逆变器部INV2)

第一逆变器部INV1具有由IGBT等开关元件构成的桥式电路，一般而言是使各开关元件进行PWM动作的所谓电压式PWM逆变器的结构。向第一逆变器部INV1从控制部10输入对各开关元件的栅极信号IG1，反之，第一逆变器部INV1向控制部10输出各开关元件的动作状态信号IGF1。另外，由于电压式PWM逆变器的结构及动作是已知的技术，因此省略详细的说明。另外，由于第二逆变器部INV2的结构及动作与第一逆变器部INV1相同，因此省略与其结构及动作相关的说明。

(第一电动机电流传感器CT1、第二电动机电流传感器CT2)

在第一逆变器部INV1的输出侧设置检测第一逆变器部INV1的输出电流(即电动机电流)的第一电动机电流传感器CT1。由电动机电流传感器CT1检测的第一电动机电流I1输入至控制部10。另外，在第二逆变器部INV2的输出侧也设置第二电动机电流传感器CT2，由第二电动机电流传感器CT2检测的输出电流输入至控制部10。

(第一电动机侧接触器MMK1、第二电动机侧接触器MMK2)

在电动机电流传感器CT1的下一级设置第一电动机侧接触器MMK1。第一电动机侧接触器MMK1是具有可以开关几百安电流的能力的接触器，在使控制装置100停止时、或产生异常时设定为断开的状态，在通常运行时设定为接通状态。另外，控制信号MKC1从控制部10输出至第一电动机侧接触器MMK1，通过将内置的闭合线圈接通/断开，进行主触点的开关控制。第一电动机侧接触器MMK1的主触点的状态例如利用机械联动的辅助触点等作为触点状态信号MKF1返回控制部10。另外，在电动机电流传感器CT2的下一级设置第二电动机侧接触器MMK2，但由于其功能及动作与第一电动机侧接触器MMK1相同，因此省略与该功能及动作相关的说明。

(第一永磁同步电动机M1)

在第一电动机侧接触器MMK1的下一级连接第一永磁同步电动机M1。第一永磁同步电动机M1的结构为与车轮3机械连接，驱动该车轮3。另外，与第一永磁同步电动机M1连接第一旋转传感器RZ1，其检测值R1输入至控制部10。

(第二永磁同步电动机M2)

另外，在第二电动机侧接触器MMK2的下一级连接第二永磁同步电动机M2，第二永磁同步电动机M2与第一永磁同步电动机M1所连接的车轮3不同的其他车轮3机械连接。另外，对第二永磁同步电动机M2也连接第二旋转传感器RZ2，其检测值R2输入至控制部10。

(第一旋转传感器RZ1、第二旋转传感器RZ2)

第一旋转传感器RZ1及第二旋转传感器RZ2都被称为编码器或旋转变压器(resolver)，这些旋转传感器检测的检测值R1、R2是表示各电动机转子的绝对位置的信号。另外，根据电动机的电压和电流经计算求出电动机转子的绝对位置的不需要旋转传感器的所谓无传感器控制方式也被付诸实际应用。在无传感器控制方式的情况下，不需要第一旋转传感器RZ1及第二旋转传感器RZ2。

(控制部10)

控制部10由微型计算机(以下称作“微机”)或逻辑电路及向其提供电源的控制电源构成，基于从电车的驾驶台(未图示)等输入的运行指令信号CMD、和从如上所述的各部分输入的状态信号(至少包括输入电压VS、输入侧接触器K的触点状态信号KF、输入电流IS、整流器部的开关元件的动作状态信号CGF、直流电压VD、第一逆变器部的开关元件的动作状态信号IGF1、第二逆变器部的开关元件的动作状态信号IGF2、第一电动机电流I1、第二电动机电流I2、第一电动机侧接触器MMK1的触点状态信号MKF1、第二电动机侧接触器MMK2的触点状态信号MKF2、第一旋转传感器RZ1的检测值R1、以及第二旋转传感器RZ2的检测值R2)，根据预先决定的顺序向各部分输出控制信号(KC、CG、IG1、IG2、MKC1、以及MKC2)，从而控制各部分，在输入的状态信号表示异常值时，利用向各部输出的控制信号，进行使各部停止等的控制动作。

另外，除了上述控制信号以外，作为从控制部10输出的信号还有状态通知信号STD，作为输入至控制部10的信号还有运行指令信号CMD。状态通知信号STD是用于表示控制装置100的各部分的动作状态或异常状态的信号，例如向外部的驾驶台或设备状态监视装置等(都未图示)以数据通信或触点信号等形态输出。运行指令信号CMD至少包含与前进倒车的指令、动力运行指令及其强度、制动指令及与其强度相应的信号。

另外，在图1中，作为电动机控制装置的理想的实施方式，表示了交流电电车作为一个例子，但对于地铁或郊外电车等使用较多的直流电电车也可以同样适用。在用于直流输入的电车时，不需要变压器TRF及整流器部CNV的结构，将从架线4供电的直流电压(一般为DC600V至3000V左右)作为直流电压VD直接施加在滤波电容器FC即可。

(控制部10的详细结构)

接下来，说明控制部10的详细结构。另外，图2是表示本发明的理想的实施方式的控制部10的结构例的图。如图2所示，控制部10包括第一共同计算部20、第二共同计算部30、个别计算部40A、40B、整流器控制部50、以及共同逻辑计算部60而构成。

(第一共同计算部20的结构)

第一共同计算部20包括顺序处理部21、保护检测部22、以及通信处理部23而构成。

(第一共同计算部20-顺序处理部21)

向顺序处理部21输入来自外部的运行指令信号CMD及来自控制装置100的各构成部的状态信号(VS、KF、IS、CGF、VD、IGF1、IGF2、I1、I2、MKF1、MKF2、FM1、FM2)。顺序处理部21基于运行指令信号CMD，按照预先决定的顺序逻辑，将包含与前进/倒车指令相应的转矩指令的符号或动力运行和制动指令、转矩的切断指令等控制信号CS对后述的基本转矩指令生成部31输出，并且将输入侧接触器K的接通指令即KC、第一电动机侧接触器MMK1的接通指令即MKC1、以及第二电动机侧接触器MMK2的接通指令即MKC2向后述的共同逻辑计算部60输出。

(第一共同计算部20-保护检测部22)

保护检测部22基于上述状态信号，生成控制信号SWH并输出至共同逻辑计算部60。另外，保护检测部22在控制装置各部分的电压和电流等超过规定值时等情况下判断为异常，将该判断为异常时的信号作为异常检测状态信号PF输出至通信处理部23。

(第一共同计算部20-通信处理部23)

向通信处理部23输入来自控制装置各部分的状态信号(VS、KF、IS、CGF、VD、IGF1、IGF2、I1、I2、MKF1、MKF2、FM1、FM2)、来自保护检测部22的异常检测状态信号PF、以及来自顺序处理部21的顺序状态SQ。通信处理部23对电车的驾驶台或设备状态监视装置(都未图示)等，以数据通信或触点信号等形态输出状态通知信号STD。

(第二共同计算部30的结构)

第二共同计算部30包括基本转矩指令生成部31及平均化处理部32而构成。

(第二共同计算部30-基本转矩指令生成部31)

来自顺序处理部21的控制信号CS输入至基本转矩指令生成部31。基本转矩指令生成部31使用控制信号CS所包含的动力运行指令、制动指令及其各自的大小的指令，生成基本转矩指令TP0。另外，基本转矩指令TP0是至少根据动力运行指令、制动指令、其各自的大小的指令、以及电车的速度而决定的值。

(第二共同计算部30-平均化处理部32)

另外，用于生成基本转矩指令TP0的电车的速度是由平均化处理部32生成的。平均化处理部32将基于从第一旋转传感器RZ1得到的检测值R1而生成的第一永磁同步电动机的速度FM1、和基于从第二旋转传感器RZ2得到的检测值R2而生成的第二永磁同步电动机的速度FM2进行平均化计算，将该平均化计算输出作为平均电动机速度FMA输出至基本转矩指令生成部31。

另外，图3是表示基本转矩指令TP0的一个例子的图，横轴表示平均化处理部32生成的平均电动机速度FMA，纵轴表示基本转矩指令生成部31生成的基本转矩指令TP0。如图3所示，基本转矩指令TP0具有取决于平均电动机速度FMA的几个曲线，这些曲线根据来自顺序处理部21的控制信号CS进行切换。

(个别计算部40A、40B的结构)

基本转矩指令TP0输入至个别计算部40A、40B。这些个别计算部由对应于第一永磁同步电动机M1的控制的个别计算部40A、和对应于第二永磁同步电动机M2的控制的个别计算部40B构成。另外，虽然没有特别图示，但由控制部10控制的电动机的数量不限于2台。另外，在需要第三、第四永磁同步电动机的控制时，追加设置分别对应的个别计算部即可。另外，各个个别计算部的结构如图2所示，除了标号不同，其结构、配置、功能等相同。因此，在下面的说明中，以对应于第一永磁同步电动机M1的控制而设置的个别计算部40A为代表进行说明。

(个别计算部40A的结构)

个别计算部40A包括转矩指令计算部41A、空转控制部42A、以及INV控制部43A而构成。

(个别计算部40A-转矩指令计算部41A)

向转矩指令计算部41A输入基本转矩指令TP0及来自空转控制部42A的控制信号SS1，计算转矩指令TP1并输出至INV控制部43A。转矩指令计算部41A具有根据来自空转控制部42A的控制信号SS1减少基本转矩指令、并将调整的最佳值作为转矩指令TP1输出的功能。另外，转矩指令计算部41A具有在输入有过大的基本转矩指令TP0时、对其进行限制并调整为最佳的转矩指令TP1的功能。

此处，进一步详细说明转矩指令计算部41A具有的上述功能。如上所述，由第二共同计算部30生成的基本转矩指令TP0，是以平均电动机速度FMA为基准算出的。另一方面，如后所述，第二共同计算部30的计算周期设定得比个别计算部40A要慢。因此，特别是在电车的速度变化而基本转矩指令TP0变化的状态下，可能出现基本转矩指令TP0超过各电动机的可输出的最大转矩的状态。由于这样的状态会成为控制不稳定的原因，因此转矩指令计算部41A具有转矩指令TP1限制在电动机的可输出的最大转矩以下的功能。

(个别计算部40A-空转控制部42A)

空转控制部42A输入有第一永磁同步电动机的速度FM1和第二永磁同步电动机的速度FM2，例如在第一永磁同步电动机的速度FM1与第二永磁同步电动机的速度FM2之差在规定值以上时，或在第一永磁同步电动机的速度FM1和/或第二永磁同步电动机的速度FM2在规定的加速度以上时，视作是车轮空转，计算使转矩指令TP1减少的转矩指令的减少量，将其包含在控制指令SS1中并输出至转矩指令计算部41A。另外，由于空转控制部42A的详细结构及功能存在各种已知例，因此此处省略说明。

(个别计算部40A-INV控制部43A)

向INV控制部43A至少输入转矩指令TP1、来自第一旋转传感器RZ1的检测值R1、以及第一电动机电流I1。INV控制部43A根据输入的转矩指令TP1来计算电动机电流指令，计算逆变器电压指令IPW1并输出，使该电动机电流指令与第一电动机电流I1一致。另外，由于对INV控制部43A可以适用一般使用较多、且已知的技术即矢量控制技术，因此此处省略说明。

(整流器控制部50的结构)

整流器控制部50包括CNV控制部51而构成。

(整流器控制部50-CNV控制部51)

向CNV控制部51至少输入来自顺序处理部21的控制信号CS、输入电压VS、直流电压VD的指令值VDR、直流电压VD、以及输入电流IS。CNV控制部51基于使得检测的直流电压VD与指令值VDR一致而进行的PI控制的结果、和输入电压VS的相位信息，生成输入电流指令，计算整流器电压指令CPW，使得输入电流指令与输入电流IS一致，输出至后述的栅极逻辑部62。另外，由于对整流器控制部50也可以适用已知的技术即电压式PWM整流器的控制方法，因此此处省略详细的说明。

(共同逻辑计算部60的结构)

共同逻辑计算部60包括栅极逻辑部61A、61B、栅极逻辑部62、速度计算部63、接触器逻辑部64、高速保护检测部65、以及或门电路66而构成。

(共同逻辑计算部60-栅极逻辑部61A)

向栅极逻辑部61A输入来自INV控制部43A的逆变器电压指令IPW1、来自第一逆变器部INV1的动作状态信号IGF1、以及后述的栅极断开信号GOF。栅极逻辑部61A计算与输入的逆变器电压指令IPW1对应的PWM栅极信号IG1，并输出至第一逆变器部INV1。另外，PWM栅极信号IG1的生成一般而言是基于载波信号(未图示)与逆变器电压指令IPW1的比较结果而进行的方式，但关于其细节，由于可以使用已知的技术，因此省略详细的说明。另外，栅极逻辑部61A在输入的动作状态信号IGF1表示构成第一逆变器部INV1的开关元件(未图示)的异常时，输出异常检测信号FO。另外，作为开关元件(未图示)的异常状态，考虑有开关元件的过电流、温度过高、驱动电压的下降等。

(共同逻辑计算部60-栅极逻辑部61B)

向栅极逻辑部61B输入来自INV控制部43B的逆变器电压指令IPW2、来自第二逆变器部INV2的动作状态信号IGF2、以及后述的栅极断开信号GOF。另外，关于栅极逻辑部61B的功能，由于将栅极逻辑部61A的说明中的“IGF1”替换为“IGF2”、“INV1”替换为“INV2”、“IG1”替换为“IG2”、“构成第一逆变器部INV1的开关元件”替换为“构成第二逆变器部INV2的开关元件”，就可以说明该功能，因此省略其详细的说明。

(共同逻辑计算部60-栅极逻辑部62)

向栅极逻辑部62输入来自CNV控制部51的整流器电压指令CPW、来自整流器部CNV的动作状态信号CGF及后述的栅极断开信号GOF。另外，关于栅极逻辑部62的功能，由于将栅极逻辑部61A的说明中的“IGF1”替换为“CGF”、“第一逆变器部INV1”替换为“整流器部CNV”、“IG1”替换为“CG”、“构成第一逆变器部INV1的开关元件”替换为“构成整流器部CNV的开关元件”，就可以说明该功能，因此省略其详细的说明。

(共同逻辑计算部60-速度计算部63)

向速度计算部63输入来自第一旋转传感器RZ1的表示电动机M1的转子的绝对位置的信号R1，并且输入来自第二旋转传感器RZ2的表示电动机M2的转子的绝对位置的信号R2。速度计算部63基于从第一旋转传感器RZ1得到的信号R1来计算第一永磁同步电动机的速度FM1，并且基于从第二旋转传感器RZ2得到的信号R2来计算第二永磁同步电动机的速度FM2。

(共同逻辑计算部60-接触器逻辑部64)

向接触器逻辑部64输入从顺序处理部21输入的输入侧接触器K的控制信号即KC、第一电动机侧接触器MMK1的控制信号即MKC1、以及第二电动机侧接触器MMK2的控制信号即MKC2，以及输入来自输入侧接触器K、第一电动机侧接触器MMK1、第二电动机侧接触器MMK2的表示各个触点状态的触点状态信号KF、MKF1、MKF2。接触器逻辑部64将从顺序处理部21输入的对输入侧接触器K的接通指令信号即KC、对第一电动机侧接触器MMK1的接通指令信号即MKC1、和对第二电动机侧接触器MMK2的接通指令信号即MKC2，分别转换为对输入侧接触器K、第一电动机侧接触器MMK1及第二电动机侧接触器MMK2的闭合线圈驱动电压(DC100V等)并输出。另外，接触器逻辑部64在来自顺序处理部21的接通指令信号KC、MKC1、MKC2为断开时，或者在来自各接触器的触点状态信号KF、MKF1、MKF2为断开时，输出控制信号KOF。

(共同逻辑计算部60-高速保护检测部65)

向高速保护检测部65输入有输入电压VS、输入电流IS、直流电压VD、第一电动机电流I1、第二电动机电流I2、以及异常检测信号FO。高速保护检测部65在输入的信号分别不满足规定值的条件时，输出保护检测信号HWH。另外，关于输入电压VS、输入电流IS、直流电压VD、第一电动机电流I1、以及第二电动机电流I2与规定值的条件的比较处理、和保护检测信号HWH的输出处理，较为理想的是不使用软件的计算，而使用近年来广泛使用的FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)等硬件结构。通过使用这种硬件结构，可以进行比软件更高速(计算周期为约数μs)的保护动作。

(共同逻辑计算部60-或门电路66)

向或门电路66输入来自高速保护检测部65的保护检测信号HWH、来自接触器逻辑部64的控制信号KOF、以及来自顺序处理部21的控制信号SWH。或门电路66的输出作为栅极断开信号GOF，一并输入至栅极逻辑部61A、61B、62。若栅极逻辑部61A、61B、62输入有栅极断开信号GOF，则将栅极信号IG1、IG2、CG断开。

根据如上所述构成的共同逻辑计算部60，在根据保护检测信号HWH、来自接触器逻辑部64的控制信号KOF、或者来自顺序处理部21的控制信号SWH表示异常状态时，可以同时断开各栅极信号。进一步补充说明，由于如图1所示的整流器部CNV、各逆变器部INV1、INV2是与滤波电容器FC共同连接并共有直流电压VD的结构，因此为了避免部分产生的异常所导致的影响(例如过电压)波及健全部分，高速同时断开各栅极信号是极为重要的功能。

(各计算部的计算周期)

另外，关于用于进行上述处理的各计算部的计算周期，较为理想的是第一共同计算部20和第二共同计算部30设定为数ms，个别计算部40A、40B、整流器控制部50的计算周期设定为几十μs到几百μs，共同逻辑计算部60的计算周期设定为数μs以下。其原因如下。

第一共同计算部20和第二共同计算部30主要具有的功能包括：基于运行指令信号CMD生成包含与前进倒车指令相应的转矩指令的符号或动力运行和制动指令等的控制指令的功能；检测冷却装置的异常或温度上升的检测功能；检测接触器类的动作异常等的不需要μ秒级的快速处理的保护功能；以及以监视外部的动作状态为目的的通信功能。用于实现这些功能的计算速度是比较低速即可。

另一方面，由于个别计算部40A、40B、以及整流器控制部50的各个处理都需要实施电动机电流或者输入电流的控制，因此需要可以对应于主电路的电流变化的高速的计算速度。

再有，共同逻辑计算部60需要对逆变器部INV1、INV2、整流器部的开关元件输出栅极信号的功能，以及需要保护不受过电流、过电压影响的高速的保护动作，需要比个别计算部40A、40B高一个数量级的高速的计算处理时间。

另外，如果能将所有的处理的计算周期设定在数μs内，则虽然从性能的观点而言比较理想，但在当前的技术条件下，计算速度越快，进行计算的微机的耗电功率也越大，会导致对微机提供电源的控制电源增大容量。另外，由于计算速度越快，微机的发热也越大，控制部10中内置的冷却翅片或冷却风扇也越大，因此导致控制部10的尺寸、质量和成本增大。

另一方面，若根据计算内容设定最佳的计算速度，则由于可以确保电动机的控制性能，且抑制微机的耗电功率，可以抑制微机的发热，因此可以使控制电源容量小型化，使冷却翅片或冷却风扇小型化。另外，若控制部10能实现小型化、轻量化、和低成本化，则控制装置100也可以实现尺寸、质量和成本的降低。

如上所述，由于控制部10包括：生成与多个逆变器部INV1、INV2相关的共同的控制信号CS的第一共同计算部20；计算输出与多个逆变器部INV1、INV2相关的共同的基本转矩指令TP0的第二共同计算部30；个别计算输出与多台逆变器部INV1、INV2分别相关的逆变器电压指令IPW1、IPW2的个别计算部40A、40B；以及基于来自共同计算部20、30及个别计算部40A、40B的控制信号而向多个逆变器部INV1、INV2输出栅极信号IG1、IG2的共同逻辑计算部60，因此具有以下效果。

(本实施方式的电动机控制装置带来的效果)

首先，如上所述，由于永磁同步电动机的逆变器频率和转子频率同步动作，因此无法用一台逆变器并行一并驱动多个永磁同步电动机，对每一台永磁同步电动机都需要驱动用逆变器，对各个逆变器都分别需要控制部。此时，如本实施方式中说明的那样，各逆变器部中共同用控制部10，通过对各逆变器部共用顺序处理部21、保护检测部22、通信处理部23、基本转矩指令生成部31、以及平均化处理部32，可以使由控制部10计算的软件的规模为所需要的最低限度，因此控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

另外，通过采用将与各逆变器部、整流器部对应的栅极逻辑部61A、61B、62内置在共同的共同逻辑计算部60中的结构，即使在多个逆变器部中的一台逆变器部产生异常时，也能快速且同时断开与滤波电容器FC共同连接的其他各逆变器部对应的栅极信号。据此，可以防止故障损害扩大到整个控制装置100。

另外，由于第一共同计算部20包括：接收来自外部的运行指令信号CMD并计算输出至少与逆变器部INV1、INV2相关的控制信号CS的顺序处理部21；检测控制装置100的异常状态、至少使所有的逆变器部停止的保护检测部22；以及具有以输入电压VS、输入电流IS、直流电压VD、电动机电流I1、I2、和来自保护检测部22及顺序处理部21的各信号作为输入并将其输出至外部的设备状态监视装置的功能的通信处理部23，因此易于集中掌握各逆变器部的信息，且由于可以通用对各逆变器部的计算处理的一部分，因此可以使由控制部10计算的软件的规模为所需要的最低限度，所以控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

另外，由于构成的第一共同计算部20包括顺序处理部21、保护检测部22、以及通信处理部23，构成的第二共同计算部30包括以来自顺序处理部21的控制信号CS及速度信号FM1、FM2作为输入且向个别计算部40A、40B输出基本转矩指令TP0的基本转矩指令生成部31，因此虽然对各逆变器部的控制信号是共同的，但可以只使比第一共同计算部20中内置的计算需要高速计算的基本转矩指令生成部31的计算速度提高，不必增加共同计算部整体的计算速度。其结果是，由于可以削小微机的耗电功率，可以使微机的控制电源小型化，因此控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

另外，由于基本转矩指令TP0是使用多个交流电动机的平均电动机速度FMA计算的，将计算结果即基本转矩指令TP0共同输入至与各电动机对应的个别计算部40，因此即使在一部分的车轮产生空转时、或由于车轮直径不同而使多个电动机的转速产生差异时，也能稳定得到车辆为得到规定的加速而平均所需的基本转矩指令TP0。

另外，由于将基本转矩指令生成部31作为共同计算部，因此与个别计算部包含基本转矩指令生成部31时相比较，可以使控制部10的整体的软件的规模减小，可以由所需要的最低限度的微机构成。因此，控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

另外，由于个别计算部40A、40B具有：基于各电动机的速度FM1、FM2来计算控制信号SS1、SS2的空转控制部42A、42B；基于从空转控制部42A、42B的输出及共同计算部20、30输入的基本转矩指令TP0来计算转矩指令TP1、TP2的转矩指令计算部41A、41B；以及基于转矩指令TP1、TP2、电动机电流I1、I2、来自第一旋转传感器RZ1的信号R1、和来自第二旋转传感器RZ2的信号R2向逆变器部INV1、INV2输出逆变器电压指令IPW1、IPW2而使得各电动机M1、M2的转矩与转矩指令TP1、TP2分别一致的INV控制部43A、43B，因此，可以对个别计算部只分配由于多个车轮间的旋转状态的差异而需要个别控制的永磁同步电动机的转矩控制部分(相当于INV控制部43A、43B)、和空转控制部分(空转控制部42A、42B)，可以使整个控制部10的软件的规模减小为所需要的最低限度，可以由所需要的最低限度的微机构成。因此，控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

另外，由于共同逻辑计算部60包括基于从INV控制部43A、43B输入的与多个逆变器部INV1、INV2对应的逆变器电压指令IPW1、IPW2而输出与各逆变器部对应的栅极信号IG1、IG2的栅极逻辑部61A、61B，并且还包括：在根据输入电压VS、输入电流IS、第一电动机电流I1、第二电动机电流I2、以及直流电压VD得到的信号不满足规定的条件时(例如在直流电压VD超过规定值时等)输出保护检测信号HWH的高速保护检测部65；以及输出对输入侧接触器K、电动机侧接触器MMK1、MMK2的控制信号、和与触点状态信号相应的控制信号KOF的接触器逻辑部64，能够根据保护检测信号HWH、控制信号KOF、以及来自共同计算部20的控制信号SWH同时断开与多个逆变器部INV1、INV2对应的栅极信号IG1、IG2，因此即使在多个逆变器部中的一台逆变器部产生异常时、或各接触器产生异常时，也可以快速同时断开与共同连接于滤波电容器FC而共有直流电压VD的各逆变器部对应的栅极信号。据此，可以防止整个控制装置100的故障损害扩大。

另外，由于作为直流电压源，在还具有将交流电压转换为直流电压的整流器部CNV时，还包括：第一共同计算部20；具有以来自第一共同计算部20的控制信号CS、直流电压VD、输入电压VS、和来自输入电流IS的信号作为输入的CNV控制部51的整流器控制部50；以及基于来自整流器控制部50的控制信号CPW输出整流器部CNV的栅极信号CG的栅极逻辑部62，包含栅极逻辑部62的共同逻辑计算部60能够根据保护检测信号HWH、控制信号KOF、和来自第一共同计算部20的控制信号SWH同时断开与多个逆变器部对应的栅极信号及整流器部的栅极信号，因此即使在多个逆变器部中的一台逆变器部产生异常时、在整流器部产生异常时、或者各接触器产生异常时，也能快速且同时断开与共同连接于滤波电容器FC而共有直流电压VD的各逆变器部及整流器部分别对应的栅极信号。据此，可以防止整个控制装置100的故障损害扩大。

另外，关于控制部10的计算处理周期，由于以第一共同计算部20、第二共同计算部30、个别计算部40A、40B、共同逻辑计算部60的顺序设定得越来越短，因此可以根据计算内容确定最佳的计算速度，可以确保电动机的控制性能，且抑制微机的耗电功率，抑制微机的发热。其结果是，控制部10的控制电源容量或冷却风扇可以小型化，控制部10可以小型化、轻量化、和低成本化，可以降低控制装置100的尺寸、质量和成本。

(关于其他实施方式、其他用途等的补充)

另外，本发明的内容以包括作为逆变器部INV1、INV2这2台逆变器的情况为例进行了说明，但不限于该台数，也可以容易扩展至包括3台以上的逆变器的情况。另外，在包括3台以上时，通过追加设置分别对应的个别计算部，并且将对应的栅极逻辑部追加设置在共同逻辑计算部60，就可以容易适用本发明的内容。

另外，上述各实施方式所示的结构是本发明内容的一个例子，也可以与其他已知的技术组合，并且，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、进行变更而构成。

并且，在本说明书中，主要说明了适用于电车的控制装置的发明内容，但适用领域不限于电车，当然可以适用于电动汽车、电梯等各种相关领域。

工业上的实用性

如上所述，本发明所涉及的电动机控制装置，是在作为具有与多台电动机分别对应的多个逆变器的电动机控制装置中，可以降低用于控制增加了的逆变器的控制部的规模或成本，可以抑制控制装置的尺寸、质量和成本增加，作为这样的发明是有用的。

Claims

1.一种电动机控制装置，控制多个交流电动机，

其特征在于，包括：

直流电压源；

多个逆变器部，所述多个逆变器部与所述多个交流电动机分别对应设置，将使用来自所述直流电压源的直流电压而转换的规定频率的交流电压输出至所述各交流电动机；

接触器，所述接触器将所述各逆变器部的输出侧进行开关；

电压检测器，所述电压检测器检测提供给所述各逆变器部的直流电压；

电流检测器，所述电流检测器检测所述各交流电动机的电流；以及

控制部，所述控制部基于来自外部的控制指令、所述电压检测器的检测电压、所述电流检测器的检测电流、和表示所述交流电动机的旋转状态的信号，至少对所述逆变器部输出控制信号，

所述控制部包括：

具有顺序处理部、保护检测部和通信控制部的第一共同计算部，所述顺序处理部基于从外部输入的运行指令信号，按照预先决定的顺序逻辑生成包含了转矩指令的生成所使用的指令的第一控制信号并输出，所述保护检测部基于所述交流电动机和所述电动机控制装置的各构成部的状态信号，检测表示控制装置各部分的电压和电流超过预定值的异常状态，生成表示该异常状态的异常检测信号即第二控制信号并输出到向各所述逆变器部输出栅极信号的栅极逻辑部，由此使各所述逆变器部停止，向所述通信控制部输入所述状态信号且该通信控制部输出状态通知信号；

具有基本转矩指令生成部的第二共同计算部，所述基本转矩指令生成部基于从所述第一共同计算部输入的所述第一控制信号所包含的动力运行指令、制动指令及其各自的大小的指令，生成与多个所述逆变器部共同的基本转矩指令并输出；

个别计算部，所述个别计算部基于从所述第二共同计算部输入的所述基本转矩指令，个别生成与所述各逆变器部分别相关的第三控制信号并输出；以及

共同逻辑计算部，所述共同逻辑计算部基于从所述第一共同计算部输入的所述第二控制信号、和从多个所述个别计算部输入的所述第三控制信号，计算输出用于对所述各逆变器部进行开关控制的第一栅极信号，并且，对于多个所述个别计算部共同设置，使得与所述各逆变器部对应的各所述第一栅极信号向各自对应的各栅极逻辑部输出，由此可以同时断开各第一栅极信号。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述共同逻辑计算部包括生成保护检测信号并输出的高速保护检测部，所述保护检测信号是用于同时断开输出至多个所述各逆变器部的所述第一栅极信号的控制信号的1个信号。

3.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述基本转矩指令生成部基于所述交流电动机的旋转速度和所述第一控制信号，生成输出面向与所述各逆变器部对应的所述个别计算部的共同的基本转矩指令。

4.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述基本转矩指令是基于所述各交流电动机的平均速度生成的。

5.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述个别计算部包括：空转控制部，所述空转控制部基于所述交流电动机的旋转速度计算赋予所述各交流电动机的转矩指令的减少量；转矩指令计算部，所述转矩指令计算部基于所述空转控制部的输出及来自所述共同计算部的基本转矩指令计算对于所述各交流电动机所需的转矩指令；以及INV控制部，所述INV控制部基于所述转矩指令、来自所述电流检测器的信号、和所述交流电动机的旋转状态，向所述各逆变器部输出第三控制信号，使得所述交流电动机的转矩与所述转矩指令一致。

6.如权利要求5所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述共同逻辑计算部包括：

栅极逻辑部，所述栅极逻辑部基于从所述INV控制部输入的与所述各逆变器部分别对应的所述第三控制信号，生成与所述各逆变器部分别对应的所述第一栅极信号并输出；以及

高速保护检测部，所述高速保护检测部在从所述电流检测器及所述电压检测器得到的所述检测电流、检测电压不满足规定的条件时输出保护检测信号，

至少在所述第二控制信号、或者所述保护检测信号表示异常时，同时断开向所述各逆变器输出的所述第一栅极信号。

7.如权利要求6所述的电动机控制装置，其特征在于，所述共同逻辑计算部还包括输出与所述接触器的接通／断开状态对应的接触器状态信号的接触器逻辑部，根据所述接触器状态信号同时断开向所述各逆变器输出的所述第一栅极信号。

8.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，作为所述直流电压源，在包括将规定的交流电压转换为直流电压的整流器部时，

在所述控制部还包括整流器控制部，所述整流器控制部基于来自所述第一共同计算部的所述第一控制信号、和来自所述电压检测器的所述检测电压，适用电压式PWM整流器的控制方法来生成整流器电压指令并输出，并且，

所述共同逻辑计算部还包括栅极逻辑部，所述栅极逻辑部基于所述整流器电压指令生成向所述整流器部的第二栅极信号并输出。

9.如权利要求8所述的电动机控制装置，其特征在于，所述共同逻辑计算部至少在所述第二控制信号、或者所述保护检测信号表示异常时，同时断开向所述各逆变器部的所述第一栅极信号、和向所述整流器部的所述第二栅极信号。

10.如权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于，所述共同逻辑计算部还包括输出与所述接触器的接通／断开状态对应的接触器状态信号的接触器逻辑部，根据所述接触器状态信号同时断开与所述各逆变器部对应的所述第一栅极信号、和向所述整流器部的所述第二栅极信号。

11.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述第一共同计算部、所述第二共同计算部、所述个别计算部、以及所述共同逻辑计算部的计算处理周期被设定为分别不同的值。

12.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，构成所述控制部的所述第一共同计算部、所述第二共同计算部、所述个别计算部、以及所述共同逻辑计算部的计算周期被设定为按照上述的顺序越来越短。