JP4120503B2

JP4120503B2 - 誘導電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4120503B2
Application number: JP2003199569A
Authority: JP
Inventors: 岳小川; 徹郎児島; 誠司石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: JP2005045847A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御誘導電動機による車両駆動制御における、速度センサレスベクトル制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の速度センサレスベクトル制御を実現する従来技術として、例えば特許文献１に記載されているように、ｑ軸電流の検出値が指令値に一致するように電流制御を行うことにより、電動機の回転速度を推定する方法が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３８４９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の制御方法を例えば鉄道車両に適用する場合、停止状態から起動するだけでなく、高速で惰行中からの起動や、後退からの起動も必要であり、電動機の初期速度は負から正まで幅広い範囲の初期速度を持つ。
【０００５】
一般に負速度の動作範囲よりも正速度の動作範囲の方が広いため、推定速度の初期値を適当な正の値に定めたとすると、低速域において初期速度推定精度が劣化する。特に、負の初期速度は、推定速度が０に誤収束してしまうために、推定することができない。
【０００６】
本発明の目的は、電動機速度の極性に関係なく初期速度を推定することができる制御方法の提供である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
速度推定精度劣化の原因は、磁束が低速域で減少し、速度起電力が低下することにある。そこで、本発明の誘導電動機の制御方法では、低速域において電圧補償値を印加することにより磁束を増加させ、速度推定精度を改善する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例を図２に示す。図２は、本発明を適用した鉄道車両駆動システムを示している。架線２０１および軌道２０２から、それぞれ集電器２０３および車輪２０４とを介して受電した直流電圧を、受電フィルタ２０５を介して電力半導体スイッチング素子を備えたインバータ２０６に入力する。受電フィルタ２０５はフィルタリアクトル２０５ａとフィルタコンデンサ２０５ｂとを備えている。主幹制御器２０９は、運転士のノッチ操作をノッチ指令α^* に変換し、電流指令生成器２１０にノッチ指令α^* を入力する。電流指令生成器２１０は、ノッチ指令α^* に基づき、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*と、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*と生成し、このｄ軸電流指令ｉ_d ^*とｑ軸電流指令ｉ_q ^*とをインバータ制御器２１１に入力する。インバータ制御器２１１は、電流指令生成器２１０から送られるｄ軸電流指令ｉ_d ^*と、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*と、電流検出器２０７で検出した三相電流検出値ｉ_u、ｉ_v、ｉ_w とから、三相電圧指令ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^* を生成する。インバータ２０６は、インバータ制御器２１１から送られる三相電圧指令ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*に従い、前記の集電した直流電圧を、可変電圧、可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機２０８を駆動する。誘導電動機２０８は、インバータ２０６から供給された交流電圧によりトルクを発生し、図示していないギアを介して車輪２０４を駆動する。
【０００９】
なお、図２では１台の誘導電動機を図示しているが、駆動する誘導電動機は２台あるいは４台など複数台でもよい。
【００１０】
次に、図１を用いてインバータ制御器２１１の詳細な構成を説明する。電流変換器１０１は、位相指令θ^* に基づいて、三相電流検出値ｉ_u、ｉ_v、ｉ_w をｄ軸電流ｉ_d と、ｑ軸電流ｉ_q とに変換する。速度推定器１０２は、基準加速器１０３、電流制御器１０４、加算器１０５、積分器１０６とを備えている。基準加速器１０３は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*とｑ軸電流指令ｉ_q ^*とに基づいて推定加速度α₁ を生成する。電流制御器１０４は、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*とｑ軸電流ｉ_q との偏差に応じた推定加速度α₂ を生成する。加算器１０５で推定加速度α₁ と推定加速度α₂ とを加算し、この加算した値を積分器１０６で積分し、推定速度ω_r＾を生成する。
【００１１】
すべり演算器１０７では、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*とｑ軸電流指令ｉ_q ^*とを（数１）式に基づいてすべり周波数指令ω_S ^*を演算する。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ただし、（数１）式中、Ｒ₂ はモータの二次抵抗、Ｌ₂ はモータの二次側自己インダクタンスである。
【００１４】
加算器１０８でモータ速度ω_r＾とすべり周波数指令ω_S ^* とを加算することにより、インバータ周波数指令ω₁ ^*を生成する。積分器１０９はこのインバータ周波数指令ω₁ ^*を積分し、位相指令θ^* を生成する。電圧指令演算器１１０は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*と、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*と、インバータ周波数指令ω₁ ^*とから、次の（数２）式と（数３）式とに基づいて電圧指令ｖ_d0 ^*、ｖ_q0 ^*を演算する。
【００１５】
【数２】

【００１６】
【数３】

【００１７】
ただし、（数２）式と（数３）式で、Ｒ₁ はモータの一次抵抗、Ｍはモータの相互インダクタンス、ｌσはモータの一次換算漏れインダクタンスである。電流指令生成器１１１は、推定速度がω_r1に達した時点で電流指令Δｉ_d ^*を生成し、この電流指令Δｉ_d ^*を予め定めた期間出力する。
【００１８】
加算器１１２は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*に電流指令Δｉ_d ^*を加算し、ｄ軸電流指令ｉ_d2 ^*を生成する。減算器１１３は、ｄ軸電流指令ｉ_d2 ^*からｄ軸電流ｉ_d を減算し、電流制御器１１４に入力する。電流制御器１１４は、減算器１１３により算出された入力信号から電圧補償値Δｖ_d0 ^*を生成し、ｄ軸電流ｉ_dの変動を抑制する。出力ゲイン１１５は、電圧補償値Δｖ_d0 ^*に推定速度ω_r＾の関数であるＧ₁（ω_r＾）を乗じ、電圧補償値Δｖ_d ^*を生成する。
【００１９】
ここでＧ₁（ω_r＾）は、推定速度ω_r＾が予め定めた値ω_r1を最初に下回るまでは「０」を出力し、一度下回った場合は、推定速度ω_r＾の値に関わらず「１」を出力する。また、電流制御器１１４の出力及び状態量は、推定速度ω_r＾が予め定めた値ω_r1を最初に下回った時点で「０」に初期化する。
【００２０】
加算器１１６は、ｄ軸電圧指令ｖ_d0 ^* と電圧補償値Δｖ_d ^*とを加算し、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を生成する。電圧指令変換器１１７は、位相指令θ^* に基づいて、電圧指令ｖ_d ^*、ｖ_q0 ^*を三相電圧指令ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*に変換する。
【００２１】
電流指令生成器１１１の詳細な動作を図３に示す。ｄ軸電流指令Δｉ_d ^*の初期値Δｉ_d0 ^* は、印加開始時点のｄ軸電流ｉ_d0に対して、磁束の確立に必要な量を加算したものを与える。また、ｄ軸電流の跳ね上がりを抑制するため、ｄ軸電流指令Δｉ_d ^*の大きさを図３に示したように徐々に減少するよう設定する。印加期間の設定には制御対象の諸条件を利用し、例えば磁束の確立に必要な二次時定数から定めてもよい。
【００２２】
本実施例の動作を図４と図５を用いて説明する。図４は、電動機が負の初期速度ω_r で回転している状態で初期速度を推定する動作波形を示し、図５は、ｄｑ座標上で表した誘導電動機のモデル３３０（破線で囲んだ部分）と、制御装置の概略とを表している。
【００２３】
ところで、鉄道車両では、上り坂等において後退した状態すなわち負の初期速度から起動する場合もあり得る。そこで、このようなときに生じる負の初期速度を推定する場合について説明する。
【００２４】
初期速度推定時には、速度推定誤差に起因する過電流の発生を防ぐため、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*には微小なｉ_d0を与える。また、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*＝０とする。このとき、（数１）式よりすべり周波数指令ω_S ^*＝０となるので、インバータ周波数ω₁ ^*と推定速度ω_r＾とは一致する。また、ｑ軸電圧指令ｖ_q0 ^*は次の（数４）式で与えられる。
【００２５】
【数４】

【００２６】
負の速度を含む低速域から高速域までの幅広い初期速度の推定に対応するため、積分器１０６に与える推定速度ω_r＾の初期値は、正の値ω_r0とする。
【００２７】
速度の推定には、速度ω_rとｄ軸磁束φ_dとに比例する速度起電力とを利用する。前記（数４）式に示すｑ軸電圧指令ｖ_q0 ^* の右辺第２項の速度起電力が実際の速度起電力より大きい場合には、ｑ軸電圧指令ｖ_q0 ^* が過大となるため、ｑ軸電流ｉ_q が増加する。このときｑ軸電流指令ｉ_q ^*とｑ軸電流ｉ_q との偏差が負となり、電流制御器１０４の出力である推定加速度α₂ は負になる。この結果、推定速度ω_r＾は減少し、実速度ω_rに近づく。このように、ｑ軸電流ｉ_q がｑ軸電流指令ｉ_q ^*に一致するよう推定速度ω_r＾を制御することにより、推定速度ω_r＾を実速度ω_r に一致させることができる。
【００２８】
図４に示すように、期間Ｔ₀ では、推定速度ω_r＾が実速度ω_r より大きいため、速度起電力の推定値が実際の速度起電力より大きい。このため、ｑ軸電流ｉ_q は増加する。この結果、推定速度ω_r＾は減少し、次第に実速度ω_rに近づいていく。このときゲインＧ₁（ω_r＾）は「０」となっており、電流制御器１１４の出力Δｖ_d0 ^*はマスクされている。
【００２９】
ところで、初期速度が負の場合には、推定速度ω_r＾が０近傍にある場合でも、推定速度ω_r＾と実速度ω_rの差であるすべり周波数ω_S が大きく、図５中の符号３１３、３１４、３１５、３１６、３１８、３１９で示す各ブロックを経由するループのゲインが高くなるため、ｄ軸磁束φ_d は、０近傍の値となり、速度起電力が「０」となる。速度起電力は、速度ω_r ＝０の場合にも、ｄ軸磁束φ_d ＝０の場合にも「０」となるので、両者を区別することはできない。そのために、速度ω_rが「０」ではないにもかかわらず推定速度ω_r＾が「０」に誤収束してしまう。
【００３０】
これに対して本実施例では、推定速度ω_r＾が０速度近傍の基準速度ω_r1に達した時点で、電流指令生成器１１１により生成したｄ軸電流指令Δｉ_d ^*を、図４に示す予め定めた期間Ｔ₁ の間印加する。同時に、ゲインＧ₁ を１に切り換えるとともに、電流制御器１１４の内部変数を「０」で初期化する。これにより、電流制御器１１４の出力Δｖ_d0 ^*にゲインＧ₁を乗じたΔｖ_d ^*が加算器１１６で加算される。
【００３１】
ここで、電流制御器１１４の演算を図４に示す期間Ｔ₀ から行っても良いし、推定速度ω_r＾がω_r1に達した時点から開始しても良い。
【００３２】
ｄ軸電流指令Δｉ_d ^*を印加すると、電流制御器１１４および出力ゲイン１１５により電圧補償値Δｖ_d ^*が増加し、加算器１１６、符号３０２、３０３、３０４で示す各ブロックを経てｄ軸電流ｉ_d が増加する。さらに、符号３１７、３１８、３１９で示す各ブロックを経てｄ軸磁束φ_d が増加する。この結果、速度が負の場合は、符号３２０、３０７、３０８、３０９で示す各ブロックを経てｉ_q が増加し、さらに速度推定器１０２を経てω_r＾が減少して負の値となり、後退初期速度を推定することができる。
【００３３】
また、ω_r＝０近傍の場合は、符号３２０で示すブロックのゲインが小さいためｉ_q が増加することはなく、ω_r＾＝０となる。
【００３４】
以上のような動作により、図４の期間Ｔ₂において、初期速度の極性に関わらず推定速度ω_r＾が実速度ω_r に収束し、負の初期速度の推定が可能になる。
【００３５】
（実施例２）
本実施例の誘導電動機の制御装置のインバータ制御器のブロック図を図６に示す。本実施例は、図１に示す実施例１から電流指令生成器１１１と、加算器１１２とを省略したものである。本実施例の電流制御器１１４は、ｄ軸電流ｉ_d がｄ軸電流指令ｉ_d ^*に一致するように電圧補償値Δｖ_d0 ^* を生成するが、実施例１と異なり、推定速度ω_r＾が予め定めた値ω_r1を最初に下回った時点での「０」への初期化は行わない。または、本実施例の電流制御器１１４は、推定速度ω_r＾が予め定めた値ω_r1を最初に下回った時点で、ｄ軸電流ｉ_d から算出した適当な初期値を与える。その他は実施例１と同様である。
【００３６】
本実施例の動作を図７、図８を用いて説明する。図７は、電動機が負の初期速度ω_r で回転している状態において初期速度を推定する動作を示しており、図８はｄｑ座標上で表した誘導電動機のモデル３３０（破線で囲んだ部分）と制御装置の概略とを表している。
【００３７】
図７の期間Ｔ₀では、電流制御器１１４によって電圧補償値Δｖ_d0 ^*を演算する。このときゲインＧ₁（ω_r＾）は「０」となっており、電流制御器１１４の出力Δｖ_d0 ^*はマスクされている。図７の期間Ｔ₀におけるその他の動作は実施例１と同様である。
【００３８】
推定速度ω_r＾がω_r1に達した時点で、ゲインＧ₁ を「１」に切り換える。ただし本実施例では電流制御器１１４の初期化は行わない。これにより、電流制御器１１４の出力Δｖ_d0 ^*にゲインＧ₁を乗じたΔｖ_d ^*が加算器１１６で加算される。電流制御器１１４は、ｄ軸電流ｉ_d がｄ軸電流指令ｉ_d ^*に一致するように電圧補償値Δｖ_d0 ^* を生成するが、図７の期間Ｔ₀ においてはｉ_d ＞ｉ_d ^*であるため、電圧補償値Δｖ_d ^*は負である。
【００３９】
この結果、加算器１１６、符号３０２、３０３、３０４で示す各ブロックを経て、ｄ軸電流ｉ_d が減少する。さらに、符号３１７、３１８、３１９で示す各ブロックを経て、ｄ軸磁束φ_d が減少する。次に、符号３１３、３１４、３１５で示す各ブロックを経て、ｑ軸磁束φｑが増加する。最後に、ブロック３１６、３１８、３１９を経て、ｄ軸磁束φ_d が増加する。以上のようにして、ｄ軸磁束φ_d が間接的に増加する。この結果、本実施例では速度ω_r ＝０の場合にのみ速度起電力が「０」となるため、後退初期速度を推定することができる。
【００４０】
以上のような動作により、図７の期間Ｔ₁ において、初期速度の極性に関わらず推定速度が実速度に収束する。このようにして負の初期速度の推定が可能になる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、電動機速度の極性に関係なく初期速度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の誘導電動機の制御装置のインバータ制御器のブロック図。
【図２】実施例１の制御装置を備えた鉄道車両駆動システムの説明図。
【図３】実施例１の電流指令生成器の動作の説明図。
【図４】実施例１のインバータ制御器の動作波形。
【図５】実施例１の制御装置とｄｑ座標で表したモータのモデルとの説明図。
【図６】実施例２の誘導電動機の制御装置のインバータ制御器のブロック図。
【図７】実施例２のインバータ制御器の動作波形。
【図８】実施例２の制御装置とｄｑ座標で表したモータのモデルとの説明図。
【符号の説明】
１０１…電流変換器、１０２…速度推定器、１０３…基準加速器、１０４、１１４…電流制御器、１０５、１０８、１１２、１１６…加算器、１０６、１０９…積分器、１０７…すべり演算器、、１１０…電圧指令演算器、１１１、２１０…電流指令生成器、１１３…減算器、１１５…出力ゲイン、１１７…電圧指令変換器、２０１…架線、２０２…軌道、２０３…集電器、２０４…車輪、２０５…受電フィルタ、２０５ａ…フィルタリアクトル、２０５ｂ…フィルタコンデンサ、２０６…インバータ、２０７…電流検出器、２０８…誘導電動機、２０９…主幹制御器、２１１…インバータ制御器、３３０…ｄｑ座標上で表した誘導電動機のモデル。

Claims

可変電圧可変周波数の交流電圧によって駆動される誘導電動機の制御方法であって、ｑ軸電流から前記誘導電動機の速度推定値を生成する制御ステップと、第１のｄ軸電流指令を生成する制御ステップを備える誘導電動機の制御方法において、
ｄ軸電流から第２のｄ軸電流指令を生成する制御ステップと、前記第１のｄ軸電流指令と前記第２のｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流とから、ｄ軸電圧指令に加算する電圧補償値を生成する制御ステップとを備え、
前記速度推定値が所定の値に一致した第１の時点から、前記第２のｄ軸電流指令の印加を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず予め定めた第１の期間、前記第２のｄ軸電流指令の印加を継続し、
かつ、前記第１の時点から、前記電圧補償値の電圧指令への加算を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず、予め定めた第２の期間前記電圧補償値の電圧指令への加算を継続することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
可変電圧可変周波数の交流電圧によって駆動される誘導電動機の制御方法であって、ｑ軸電流から前記誘導電動機の速度推定値を生成する制御ステップと、第１のｄ軸電流指令を生成する制御ステップを備える誘導電動機の制御方法において、
前記第１のｄ軸電流指令とｄ軸電流とからｄ軸電圧指令に加算する電圧補償値を生成する制御ステップを備え、前記速度推定値が所定の値に一致した第１の時点から、前記電圧補償値の加算を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず予め定めた期間前記電圧補償値の加算を継続することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１または２の何れかに記載の誘導電動機の制御方法によって制御される誘導電動機を具備し、前記誘導電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車両。
直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の制御装置が、電力半導体スイッチング素子を備えたインバータ部と、該インバータ部に制御指令を与えるインバータ制御部とを備え、
該インバータ制御部が、
ｑ軸電流を入力して前記誘導電動機の速度推定値を生成する速度推定部と、
第１のｄ軸電流指令からｄ軸電圧指令を生成する電圧指令演算部と、
ｄ軸電流から第２のｄ軸電流指令を生成する第２のｄ軸電流指令生成部と、
前記第１のｄ軸電流指令と前記第２のｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流とから、ｄ軸電圧指令に加算する電圧補償値を生成する電圧補償値生成部とを備え、
前記第２のｄ軸電流指令生成部が、前記速度推定値が所定の値に一致した第１の時点から、前記第２のｄ軸電流指令の印加を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず予め定めた第１の期間、前記第２のｄ軸電流指令の印加を継続し、かつ、前記第１の時点から、前記電圧補償値の電圧指令への加算を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず、予め定めた第２の期間電圧補償値の加算を継続することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の制御装置が、電力半導体スイッチング素子を備えたインバータ部と、該インバータ部に制御指令を与えるインバータ制御部とを備え、
該インバータ制御部が、
ｑ軸電流を入力して前記誘導電動機の速度推定値を生成する速度推定部と、
第１のｄ軸電流指令からｄ軸電圧指令を生成する電圧指令演算部と、
前記第１のｄ軸電流指令とｄ軸電流と速度推定値とから、ｄ軸電圧指令に加算する電圧補償値を生成する電圧補償値生成部とを備え、
前記速度推定値が所定の値に一致した第１の時点から、前記電圧補償値の加算を開始し、前記第１の時点以降は、前記速度推定値に関わらず予め定めた期間前記電圧補償値の加算を継続することを特徴とする誘導電動機の制御装置。