JP4187058B1 - 電気車の車輪径計測装置 - Google Patents

Abstract

同期電動機を適用した速度センサレスベクトル制御の電気車の車輪径を計測する車輪径計測装置を得る。
直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器によって駆動される同期電動機を備えた電気車の車輪径計測装置であって、
前記電力変換器が停止している前記電気車の惰行中に、前記同期電動機の界磁により発生した交流電圧を検出する電圧検出器と、
前記電気車の速度情報と前記電圧検出器で検出された交流電圧とから、前記同期電動機によって駆動される車輪の車輪径を演算する演算部とを備えることとした。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気車の車輪径計測装置に関するものであり、特に、同期電動機を適用した鉄道車両や電気自動車などに使用される電気車の車輪径計測装置である。

電気車の車輪は走行中の磨耗によって各車輪間に微少な径差が生じ、電動機のトルクを一定とすれば、車輪径が小さくなった車輪は見掛け上加速度が大きくなる。このように見かけ上、加減速度が変化する電気車を安定に制御するため、従来より各車輪の回転速度から車輪径を推定し、補正することが実施されている。（例えば、特許文献１参照）

一方、小型化や信頼性、メンテナンス性の向上から、近年、電気車に適用されている速度センサレスベクトル制御においては、電気車を駆動する電動機の駆動軸の回転速度を検出する速度センサを使用しない。そのため、トルク電流指令が上昇中もしくは下降中の所定時間に回転速度を推定し、車輪径補正することが提案されている。（例えば、特許文献２参照）

特開昭６０−２１０１０１号公報（図１） 特開２００５−３１２１２６号公報（第６頁、図１）

従来の車輪径補正に用いられる車輪径計測装置においては、電気車に誘導電動機を適用した場合を前提にし、特に速度センサレスベクトル制御では、駆動軸の回転速度を誘導電動機特有のすべり周波数を用いて推定しているため、例えば、同期電動機を適用した電気車には、そのまま使用することができなかった。
即ち、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車においては、従来の車輪径推定方法が適用できず、誘導電動機を適用した場合と同様の電気車制御を実現するのが困難であるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、特に同期電動機を適用した速度センサレスベクトル制御の電気車において、車輪径補正に供することができる電気車の車輪径を、精度良く計測できる車輪径計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電気車の車輪径計測装置は、
直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器によって駆動される同期電動機を備えた電気車の車輪径を計測する装置であって、
前記電力変換器が停止している前記電気車の惰行中に、前記同期電動機の界磁により発生した交流電圧を検出する電圧検出器と、
前記電気車の速度情報と前記電圧検出器で検出された交流電圧とから、前記同期電動機によって駆動される車輪の車輪径を演算する演算部とを備えることとしたものである。

本発明の車輪径計測装置によれば、特に同期電動機を適用した速度センサレスベクトル制御の電気車において、車輪径を精度良く計測することが可能となるため、電気車の安定した制御が可能となる。

本発明の実施の形態1による電気車の車輪径計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態1による演算部の構成図である。 本発明の実施の形態1によるオフセット補償器の構成図である。 本発明の実施の形態１によるオフセット補償器の動作を示した動作図である。 本発明の実施の形態1による速度演算器の構成図である。 本発明の実施の形態1による車輪径演算器の構成図である。 本発明の実施の形態1による故障検知器の構成図である。 本発明の実施の形態１による故障検知器の動作を示した動作図である。 本発明の実施の形態２による車輪径計測装置の演算部の構成図である。 本発明の実施の形態２による速度演算器の構成図である。 本発明の実施の形態２による故障検知器の構成図である。 本発明の実施の形態３による電気車の車輪径計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態３による演算部の構成図である。 本発明の実施の形態３による速度演算器の構成図である。 本発明の実施の形態３による故障検知器の構成図である。 本発明の実施の形態３による電気車の車輪径計測装置のその他の構成図である。 本発明の実施の形態４による電気車の車輪径計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態４による車輪径補正部の構成図である。

符号の説明

１ 電力変換器、１ｕ，１ｖ，１ｗ 接続端子、
２ 同期電動機、２ｕ，２ｖ，２ｗ 接続端子、
３，３ａ，３ｂ 車輪径計測装置、４，４ａ，４ｂ，４ｃ 電圧検出器、５，５ａ，５ｂ演算部、
６ パンタグラフ、７ａ，７ｂ 車輪、８ 速度検出器、９，９ｕ，９ｖ，９ｗ 配線、１０，１０ａ，１０ｂ フィルタ、
２０，２０ａ，２０ｂ オフセット補償器、２１ オフセット量演算器、
２２ 停止判断器、２３ 停止時間計測器、２４ａ，２４ｂ 切替器、
２５ 積分器、２６ 除算器、２７ 減算器、
３０ 速度演算器、３１ ２回微分器、３２ 除算器、３３ 乗算器、３４ 平方根器、３５ フィルタ、
４０ 車輪径演算器、４１ 除算器、４２ 乗算器、
５０ 故障検知器、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ 絶対値器、
５２，５２ａ，５２ｂ フィルタ、５３，５３ａ，５３ｂ 小なり比較器、
５４ 大なり比較器、５５，５５ａ，５５ｂ 論理積（ＡＮＤ）器、
６０ 速度演算器、６１ａ，６１ｂ ２回微分器、６２ 乗算器、６３ 乗算器、
６４ 平方根器、６５ フィルタ
７０ 故障検知器、７１ 小なり比較器、
８０ 速度演算器、８１ αβ変換器、８２ａ，８２ｂ 乗算器、８３ 加算器、
８４ 平方根器、８５ 除算器、
９０ 故障検知器、９１ 論理積（ＡＮＤ）器、
１００ 車輪径補正部、１０１ 除算器、１０２ リミッタ、１０３ 乗算器、
１１０ 制御器

実施の形態１．
以下、この発明をその実施の形態を示す図に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態１における電気車の車輪径計測装置の構成を示す構成図である。図１において、電力変換器１は、パンタグラフ６から供給された直流電圧を交流電圧に変換し、同期電動機２に供給する。本実施の形態では同期電動機２は、回転子に取り付けられた永久磁石により界磁を作る永久磁石同期電動機とするが、これに限るものではない。車輪径計測装置３は、この電力変換器１と同期電動機２の交流電圧を検出する電圧検出器４と、検出された交流電圧により車輪径を演算する演算部５から成る。

車輪７ｂは同期電動機２と図示しない車軸、ギアを介して接続された駆動輪、車輪７ａは同期電動機２とは直接接続されていない非駆動輪で、この非駆動輪の速度を検出する速度検出器８が備えられている。この速度検出器８は、例えば電気車の場合、先頭車両に運転台の速度計用に車速を計測するための速度検出器や、同期電動機２に接続されていないブレーキ装置や保安装置に設けられた速度検出器でもよい。

電力変換器１の交流側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの接続端子１ｕ、１ｖ、１ｗは、同期電動機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの接続端子２ｕ、２ｖ、２ｗと配線９（９ｕ、９ｖ、９ｗよりなる）によって接続されている。ここでは、電圧検出器４は電力変換器の交流側のＵ相接続端子１ｕとＶ相接続端子１ｖに接続され、同期電動機２に印加されたＵＶ間の線間電圧Ｖｕｖ検出しているが、これに限るものではなく、電圧検出器４は同期電動機２に印加される線間電圧を検出できればよい。

図２は、この発明の実施の形態１における演算部５の構成を示す構成図である。図２に示すように演算部５では、電圧検出器４から入力された線間電圧Ｖｕｖは、まずフィルタ１０に入力され、同期電動機２の回転数より明らかに大きく不要なノイズが除去されて出力値Ｖｕｖ−ｆとなる。出力値Ｖｕｖ−ｆは、さらにオフセット補償器２０で電圧検出器４のオフセット電圧の影響を除去された後、出力値Ｖｕｖ−ｏｆとして速度演算器３０に入力される。そして、速度演算器３０では、Ｖｕｖ−ｏｆから回転角周波数ωを演算し、演算結果をＶｖｆとして車輪径演算器４０に出力する。車輪径演算器４０では、このＶｖｆと、速度検出器８で検出された速度情報Ｖとによって車輪径Ｄが演算される。

次に、以上のように構成された車輪径計測装置の動作について説明する。
まず、電力変換器１が停止している電気車の惰行中に、同期電動機２の回転子に取り付けられた永久磁石が界磁を作ることにより発生するＵＶ間の線間電圧Ｖｕｖを電圧検出器４によって検出する。電気車の場合、電力変換器１の動作中はトルクが発生しているため、駆動輪において微少な空転・滑走が生じている場合があり、車輪径を精度良く計測するためには電力変換器１が停止している方が望ましい。
電圧検出器４によって検出されたＵＶ間の線間電圧Ｖｕｖは、フィルタ１０に入力され、不要なノイズが除去される。ここで、フィルタ１０は、図２に示すように一次遅れの関数で構成できる。この場合、時定数Ｔは同期電動機２の最高回転数の１０倍以上の周波数を除去できるように設定する。例えば、同期電動機２の最高回転数が３００Ｈｚの場合、フィルタ１０の時定数Ｔは、（１）式のように設定すると不要なノイズを除去することができる。

図３は、この発明の実施の形態１におけるオフセット補償器２０の構成を示す構成図である。図３に示すように、オフセット補償器２０は、演算器２１、停止判断器２２、停止時間計測器２３からなり、入力電圧が零の時、出力電圧が零になるよう補正する。フィルタ１０の出力値Ｖｕｖ−ｆと速度情報Ｖとが入力されて、同期電動機が回転していない時に電圧検出器４の平均オフセット量ｏｆａｖを算出し、その平均オフセット量ｏｆａｖ分をＶｕｖ−ｆより減算することにより、オフセット量の影響を除去することができる。これによって、電圧検出器４のオフセット電圧の影響を除去することができ、正確な速度を演算することが可能になる。

図４は、この発明の実施の形態１におけるオフセット補償器２０の動作を示す動作図である。以下、オフセット補償器２０の動作を図３と図４を用いて説明する。
まず、オフセット補償を行う前の状態１では、図４に示すようにオフセット補償器２０に入力される電圧値Ｖｕｖ−ｆは、電圧検出器４のオフセットの影響により上下アンバランスになっている。この状態で図３の切替器２４ａは、０（零）の方にスイッチがあり、積分器２５、除算器２６の出力は共に零となる。停止判断器２２は、速度情報Ｖが零でない場合、出力値Ｖ２２＝０として切替器２４ａ、２４ｂ、および停止時間計測器２３に出力する。なお、状態１では切替器２４ｂのスイッチは、除算器２６の出力側にある。

次に、電力変換器１が停止して速度情報Ｖが徐々に低下し、速度情報Ｖが零になった状態２になると、停止判断器２２には、速度情報Ｖ＝０が入力され、出力値Ｖ２２＝１を出力する。そして、この出力値Ｖ２２が入力された切替器２４ａは、０（零）側からＶｕｖ−ｆが入力される方にスイッチが切り替わり、一方、切替器２４ｂは、０（零）側にスイッチが切り替わる。

停止時間計測器２３は、Ｖ２２＝１が入力されることにより、同期電動機が停止している時間を計測する。停止時間を計測する手段の一例としては、停止時間計測器２３への入力値が１であるので積分器によって単純に積分することにより、１秒間積分すると出力は１になる。即ち、Ｖ２２＝１を入力すると積分時間（同期電動機の停止時間）と積分の出力は一致することになり、停止時間を計測することができる。

一方、切替器２４ａを介して、Ｖｕｖ−ｆが入力された積分器２５は、図４に示すように電圧検出器４のオフセット量が入力されて、そのオフセット量を積分することになる。この積分器２５の出力値Ｖ２５は除算器２６に入力され、同じく入力される停止時間計測器２３の出力値Ｖ２３でＶ２５を除算することにより、停止時間内の平均オフセット量ｏｆａｖが算出できる。

さらに、同期電動機２が回転、もしくは電気車が加速して速度情報Ｖが零でなくなると、停止判別器２２の出力値Ｖ２２が１から０に変わり、図４に示す状態３に移行する。状態３に移行すると、図４に示すように切替器２４ａは０側にスイッチが戻り、積分器２５の入力が零になることにより、積分器２５の出力値Ｖ２５は入力が零になる前の値を保持しつづける。

また、同様に停止時間計測器２３の出力値Ｖ２３も計測した停止時間の値を保持しつづけることになる。そのことにより、電気車が停止していない時は、平均オフセット量ｏｆａｖは一定値になり、切替器２４ｂは０（零）側から除算器２６の出力ｏｆａｖを入力する側にスイッチが戻る。そして、切替器２４ｂに平均オフセット量ｏｆａｖが入力され、減算器２７により電圧値Ｖｕｖ−ｆから平均オフセット量ｏｆａｖが減算される。従って、図４に示すように、オフセット補償器２０の出力電圧値Ｖｕｖ−ｏｆは、電圧検出器４のオフセット量の影響を除去でき、プラスマイナスでの上下アンバランスがなくなることによって、正確に速度を演算することができ、車輪径を精度良く計測することができる。

次に、このＶｕｖ−ｏｆは速度演算器３０と故障検知器５０に入力される。図５は、この発明の実施の形態１における速度演算器３０の構成を示す構成図である。図５に示すように、速度演算器３０に入力されたＶｕｖ−ｏｆは、まず、２回微分器３１により２回微分され、除算器３２で元のＶｕｖ−ｏｆで除算される。そのことにより、Ｖｕｖ−ｏｆの速度[ｒａｄ]が算出できる。

その原理を以下に式を用いて説明する。
オフセット補償器２０の出力値Ｖｕｖ−ｏｆは、振幅をＡ、交流電圧の回転角周波数をω[rad]とすると、（２）式のように表すことができる。なお、（２）式では電圧検出器４のオフセット量は、オフセット補償器２０により除去できたものと考え、零とする。

（２）式で表されたＶｕｖ−ｏｆを１回微分した（Ｖｕｖ−ｏｆ）’は、（３）式のように表すことができる。

次に（３）式で表された（Ｖｕｖ−ｏｆ）’を更に１回微分した（Ｖｕｖ−ｏｆ）”、即ち２回微分器３１の出力値は、（４）式のように表すことができる。

除算器３２は、上記（２）式と（４）式を使うと（５）式に示すようになり、交流電圧の回転角周波数ωの２乗値が算出できる。

この除算器３２の出力値は、乗算器３３に入力され、−１を掛けることにより、正の値となって平方根器３４に入力される。そして、平方根器３４により、交流電圧の回転角周波数ωが容易に算出される。

ここで、速度演算器３０に入力された電圧値Ｖｕｖ−ｏｆは、２回微分器３１により２回微分されるが、交流電圧であるため周期的に零が存在し、その零を微分すると無限大、もしくはプラスマイナス方向に大きな値になることがある。それを除去するために、平方根器３４で算出されたωは、フィルタ３５に入力され、安定した交流電圧の回転角周波数ω成分を得ることができ、Ｖｖｆとして出力される。

なお、フィルタ３５の時定数をＴ２とすると、Ｔ２は、例えば計測した最低回転数以上に設定すれば良い。即ち、１Ｈｚ以上の回転数を計測したければ、時定数Ｔ２は、（６）式の値を設定することにより１Ｈｚ以上の回転数を安定に計測することができる。

以上のように、速度演算器３０では、オフセット補償器２０の出力値Ｖｕｖ−ｏｆから交流電圧の回転角周波数ωを容易に演算することができるため、同期電動機２の回転数が容易に判ることになる。この速度演算器３０の出力値Ｖｖｆは、次に車輪径演算器４０に入力される。

図６は、この発明の実施の形態１における車輪径演算器４０の構成を示す構成図である。図６に示すように、車輪径演算器４０では、速度演算器３０の出力値Ｖｖｆと速度情報Ｖとから電気車の車輪径Ｄを演算することができる。
いま、速度情報Ｖの単位がｋｍ／ｈであるとすると、同期電動機２の回転数を示すＶｖｆ[ｒａｄ]とは、一般に次の関係が成り立ち、車輪径Ｄ［ｍ］は以下の（８）式により算出できる。

なお、極対数Ｐｍは、同期電動機２の定数であり、ギア比ＧＲは、同期電動機２と車軸、及びギアを通して接続されている車輪８ｂとのギアの比のことを示している。このギア比は、電気車の種類及び性能設定によって異なり、極対数Ｐｍも同期電動機２の種類や性能によって異なるため、（９）式のように係数Ｋを定義する。
これによって、上記（８）式は（１０）式のように表すことができる。

ここで、車輪径演算器４０は、上記（１０）式を実現したものであり、図６に示すように、入力された速度情報Ｖは除算器４１によってＶｖｆで除算され、乗算器４２に入力され、予め用意されていた係数Ｋを掛算して車輪径Ｄを演算することができる。

一方、図２において、オフセット補償器２０の出力値Ｖｕｖ−ｏｆと、平均オフセット量ｏｆａｖ、及び速度情報Ｖとが入力される故障検知器５０について説明する。この故障検知器５０は、同期電動機２が回転し、速度情報Ｖが所定の値より大きい場合に、電圧検出器４により検出されオフセット補償されたＶｕｖ−ｏｆが平均オフセット量ｏｆａｖより小さければ、電圧検出器４の故障であると判断するものである。

図７は、この発明の実施の形態１における故障検知器５０の構成を示す構成図、図８は、この発明の実施の形態１における故障検知器５０の動作を示す動作図である。以下、故障検知器５０の動作を図７と図８を用いて説明する。
図７に示すように、故障検知器５０に入力されたＶｕｖ−ｏｆは、まず絶対値器５１ａに入力された後、フィルタ５２に入力される。フィルタ５２では、絶対値器５１ａにより整流処理された値を直流電圧に変換する役割であるため、時定数Ｔ３は十分に遅い値で良く、例えば（１１）式の値のように設定すれば良い。

このフィルタ５２の出力値Ｖ５２は、図８に示すように直流電圧の値になる。即ち、ここで交流電圧の実効値が求まる。同期電動機２が回転していると回転子に取り付けられた永久磁石により界磁が作られ、交流電圧が発生するが、この交流電圧を電圧検出器４により検出しているため、同期電動機２が回転していると交流電圧が検出できる。
従って、速度情報Ｖが所定の速度より大きい時に交流電圧値の実効値、つまりフィルタ５２の出力値Ｖ５２が零もしくは小さい値の場合は、電圧検出器４が故障している等の異常な状態であると判断できる。

そのため、フィルタ５２の出力値Ｖ５２と、絶対値器５１ｂにより平均オフセット量ｏｆａｖの絶対値を取った値とが小なり比較器５３に入力され、小なり比較器５３ではこれらの値を比較して、フィルタ５２の出力値Ｖ５２が絶対値器５１ｂの出力値より小さければ、出力値Ｖ５３＝１を、逆に大きいか、同じであれば出力値Ｖ５３＝０を論理積（ＡＮＤ）器５５に出力する。

一方、故障検知器５０に入力された速度情報Ｖは、大なり比較器５４に入力され、所定の速度Ｖ０と比較される。速度情報Ｖが所定の速度Ｖ０より大きければ、大なり比較器５４は出力値Ｖ５４＝１を、逆に小さいか、同じであれば出力値Ｖ５４＝０を論理積（ＡＮＤ）器５５に出力する。なお、大なり比較器５４で比較する所定の速度Ｖ０は、最高速度の１/１０程度の値に設定すれば良い。例えば、最高速度が３００km/hの電気車であれば、３０km/hに設定して速度情報Ｖが３０km/hを越えれば、故障検知を行うことにする。

小なり比較器５３と大なり比較器５４からそれぞれＶ５３、Ｖ５４が入力された論理積（ＡＮＤ）器５５は、Ｖ５３＝１、且つＶ５４＝１となる場合、異常検知信号であるＶｕｖ−ｅｒを出力する。この異常検知信号Ｖｕｖ−ｅｒは、例えば運転台のモニタ装置に伝送するようにし異常を知らせるようにしても良いし、電力変換器１の制御装置に入力し、電気車を停止させて電圧検出器４や同期電動機２の状態を確認することなどができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る車輪径計測装置は、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車において、同期電動機の界磁により発生する交流電圧を検出して、電気車の車輪径を精度良く計測することが可能となる。また、電圧検出器の故障検知器を備えることにより、より信頼性が高い電気車の車輪径計測装置を得られる効果がある。

さらに、実施の形態１に係る車輪径計測装置で得られた車輪径Ｄを車輪径補正に供することによって、各車輪の車輪径差に応じた補正を行えるため、従来の誘導電動機を適用した場合と同等に精度よく電気車を制御することが可能になる。また、本願の車輪径計測装置で得られた車輪径Ｄを用いて、車輪の摩耗具合を測定し、車輪交換の判断にしても良い。また、計測された値を運転台のモニタ装置や車上列車制御装置、統括システム等電気車内に張り巡らされた通信網、及び駅などの運行管理システム等に伝送し、電気車の管理情報としても良い。

実施の形態２．
実施の形態２における車輪径計測装置３は、実施の形態１と同様に、電力変換器１と同期電動機２の交流電圧を検出する電圧検出器４と、検出された交流電圧により車輪径を演算する演算部５（実施の形態２では５ａ）から成り、実施の形態１とは、演算部５ａにおいて速度演算器が２回微分を２回実施（即ち４回微分）している点が異なる。それによって、電圧検出器のオフセットの影響が除去されるため、オフセット補償器が不要の構成となっている。
なお、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図９は、この発明の実施の形態２における演算部５ａの構成を示す構成図である。
実施の形態２の演算部５ａでは、電圧検出器４から入力された線間電圧Ｖｕｖは、まずフィルタ１０に入力され、同期電動機２の回転数より明らかに大きく不要なノイズを除去されて出力値Ｖｕｖ−ｆとなる。そして出力値Ｖｕｖ−ｆは、速度演算器６０に入力される。

図１０は、この発明の実施の形態２における速度演算器６０の構成を示す構成図である。以下、この速度演算器６０の動作を図１０を用いて説明する。
まず、フィルタ１０から入力されたＶｕｖ−ｆは、振幅をＡ、交流電圧の回転角周波数をω[rad]、オフセット量をｂとすると（１２）式のように表すことができる。

ここで発明者らは、上記（１２）式で表されたＶｕｖ−ｆを１回微分した（Ｖｕｖ−ｆ）’は、下記（１３）式に示すようにオフセット量ｂが除去されることを発見した。

上記（１３）式で表される（Ｖｕｖ−ｆ）’をさらに１回微分した（Ｖｕｖ−ｆ）”は、（１４）式のように表すことができる。即ち、（１４）式はＶｕｖ−ｆを２回微分したもので、図１０に示す２回微分器６１ａの出力値に相当する。そして、この値はオフセット量が除去されている。

この２回微分器６１ａの出力値（Ｖｕｖ−ｆ）”は、２回微分器６１ｂと除算器６２に入力され、２回微分器６１ｂではさらに２回微分されて、（１６）式で表される（Ｖｕｖ−ｆ）””になる。

２回微分器６１ａの出力値（Ｖｕｖ−ｆ）”と、２回微分器６１ｂの出力値（Ｖｕｖ−ｆ）””が入力された除算器６２では、（１７）式に示すようにこれらを除算することで、交流電圧の回転角周波数ωの２乗値が演算できる。

以後は、実施の形態１と同様に、乗算器６３に入力され、−１を掛けることにより、正の値となって平方根器６４に入力される。そして、平方根器６４により、交流電圧の回転角周波数ωが容易に算出することができる。

次に、図９において、フィルタ１０の出力値Ｖｕｖ−ｆと、速度情報Ｖとが入力される故障検知器７０について説明する。
図１１は、この発明の実施の形態２における故障検知器７０の構成を示す構成図である。以下、この故障検知器７０の動作を図１１を用いて説明する。
図１１に示すように、小なり比較器７１で電圧検出値Ｖｕｖ−ｆの実効値と比較する値が零であることのみが、実施の形態１の故障検知器５０と異なっている。

図１１において、故障検知器７０に入力されたフィルタ１０の出力値Ｖｕｖ−ｆは、まず絶対値器５１ｃに入力された後、フィルタ５２に入力される。フィルタ５２では、実施の形態１と同様に絶対値器５１ｃにより整流処理された値を直流電圧に変換するため、時定数Ｔ３は十分に遅い値で良く、例えば上記（１１）式の値のように設定すれば良い。

このフィルタ５２の出力値Ｖ５２は、交流電圧の実効値であり、小なり比較器７１に入力される。小なり比較器７１では、フィルタ５２の出力値Ｖ５２が零より小さければ出力値Ｖ７１＝１を、逆に大きいか、同じであれば出力値Ｖ７１＝０を論理積（ＡＮＤ）器５５に出力する。従って、ここでは交流電圧の実効値が零になった時に異常検知を行っているが、小なり比較器７１の比較する値は、これに限るものではなく、大なり比較器５４に入力される所定の速度Ｖ０で回転子に取り付けられた永久磁石により界磁が発生する電圧よりも十分小さい所定の値としても良い。

小なり比較器７１と大なり比較器５４からそれぞれＶ７１、Ｖ５４が入力された論理積（ＡＮＤ）器５５は、実施の形態１と同様にＶ５３＝１、且つＶ５４＝１となる場合、異常検知信号であるＶｕｖ−ｅｒを出力し、異常を検知する。

以上説明したように、実施の形態２に係る車輪径計測装置は、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車において、２回微分演算を実施する速度演算器を有することにより、オフセット補償器を使用することなく、電圧検出器のオフセット量の影響を除去することが可能となり、実施の形態１と比較して、部品点数が少なく信頼性の高い電気車の車輪径計測装置を得ることができる。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３における車輪径計測装置の構成を示す構成図である。本実施の形態３では、車輪径計測装置３が、この電力変換器１と同期電動機２の交流電圧を検出する電圧検出器４ａ、４ｂの２つを備えていることと、この２つの電圧検出器４ａ、４ｂから検出された交流電圧により車輪径を演算する演算部５ｂから成ることが実施の形態１と異なる点である。
なお、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図１２に示すように、まず、実施の形態１と同様に、電力変換器１が停止している電気車の惰行中に、同期電動機２の回転子に取り付けられた永久磁石が界磁を作ることにより発生するＵＶ間、及びＵＷ間の線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗを電圧検出器４ａ、４ｂによって検出する。そして、検出された線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗは、演算部５ｂに入力される。

図１３は、この発明の実施の形態３における演算部５ｂの構成を示す構成図である。図１３に示すように、入力された線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗは、それぞれフィルタ１０ａ、１０ｂに入力され、不要なノイズが除去された後、それぞれ出力値Ｖｕｖ-ｆ、Ｖｖｗ-ｆとしてオフセット補償器２０ａ、２０ｂに出力される。オフセット補償器２０ａ、２０ｂでは、実施の形態１と同様に、電圧検出器４ａ、４ｂのオフセット量を除去した値Ｖｕｖ-ｏｆ、Ｖｖｗ-ｏｆをそれぞれ演算し、速度演算器８０に出力する。

図１４は、この発明の実施の形態３における速度演算器８０の構成を示す構成図である。以下、この速度演算器８０の動作を図１４を用いて説明する。
まず、速度演算器８０に入力されたＶｕｖ-ｏｆ、Ｖｖｗ-ｏｆは、αβ変換器８１によってそれぞれ（１８）式に表すＶα、Ｖβに変換される。

ここで同期電動機２の回転子に取り付けられた永久磁石の磁束をΦａとし、同期電動機２の回転数をＶｖｆとすると、上記（１８）式のＶα、Ｖβは、次の（１９）式のように表せる。

同期電動機２の回転子に取り付けられた永久磁石の磁束Φａが予め把握できるため、（１９）を使うと同期電動機２の回転数を示すＶｖｆは、（２０）式のように演算できる。

図１４に示すように、αβ変換器８１から出力されたＶα、Ｖβは、それぞれ乗算器８２ａ、８２ｂに入力されて２乗された後、加算器８３、及び平方根器８４に入力され上記（１９）式の右辺の演算が行われる。この結果が除算器８５に入力され、予め用意された永久磁石の磁束Φａと除算され、上記（２０）式が演算される。この結果、除算器８５の出力として同期電動機２の回転数を示すＶｖｆを得ることができる。

上記のように、速度演算器８０によって演算されたＶｖｆは、図１３に示すように車輪径演算器４０に入力された後、実施の形態１と同様にして、電気車の車輪径Ｄを得ることができる。

一方、図１３において、２つのオフセット補償器２０ａ、２０ｂの出力値Ｖｕｖ−ｏｆと、Ｖｖｗ−ｏｆ、平均オフセット量ｏｆａｖ１、ｏｆａｖ２、及び速度情報Ｖとが入力される故障検知器９０について説明する。この故障検知器９０は、２つの電圧検出器４ａ、４ｂが異常であることを検知するものであるが、２つの電圧検出検出器４ａ、４ｂが同時に故障する可能性は低いため、異常検知Ｖｕｖ−ｅｒ及びＶｖｗ−ｅｒの両方を検知して、同期電動機２、或いは電圧検出器４ａ、４ｂのどちらかが異常であることを検知するものである。

図１５は、この発明の実施の形態３における故障検知器９０の構成を示す構成図である。以下、この故障検知器９０の動作を図１５を用いて説明する。
故障検知器９０に入力されたＶｕｖ−ｏｆは、まず絶対値器５１ａに入力された後、フィルタ５２ａに入力される。フィルタ５２ａでは、実施の形態１と同様に絶対値器５１ａにより整流処理された値を直流電圧に変換するため、時定数Ｔ３は十分に遅い値で良く、例えば上記（１１）式の値のように設定すれば良い。

このフィルタ５２ａの出力値と、絶対値器５１ｂにより平均オフセット量ｏｆａｖの絶対値を取った値とが小なり比較器５３ａに入力される。小なり比較器５３ａでは、これらの値を比較して、フィルタ５２ａの出力値が絶対値器５１ｂの出力値より小さければ出力値Ｖ５３ａ＝１を、逆に大きいか、同じであれば出力値Ｖ５３ａ＝０を論理積（ＡＮＤ）器５５ａに出力する。

ＶＷ間のＶｖｗ−ｏｆについても同様に演算され、小なり比較器５３ｂより出力値Ｖ５３ｂ＝１、又はＶ５３ｂ＝０が論理積（ＡＮＤ）器５５ｂに出力される。なお、実施の形態２と同様に、小なり比較器５３ａ、５３ｂで比較する値は、平均オフセット量ｏｆａｖの絶対値を取った値ではなく、零としても良い。

一方、故障検知器９０に入力された速度情報Ｖは、大なり比較器５４に入力され、所定の速度Ｖ０と比較される。速度情報Ｖが所定の速度Ｖ０より大きければ、大なり比較器５４は出力値Ｖ５４＝１を、逆に小さいか、同じであれば出力値Ｖ５４＝０を論理積（ＡＮＤ）器５５ａ、５５ｂに出力する。なお、大なり比較器５４で比較する所定の速度Ｖ０は、実施の形態１と同様に、例えば最高速度の１/１０程度の値に設定すれば良く、最高速度が３００km/hの電気車であれば、３０km/hに設定して速度情報Ｖが３０km/hを越えれば、故障検知を行うことにする。

論理積（ＡＮＤ）器５５ａ、５５ｂはそれぞれ、実施の形態１の場合と同様に、Ｖ５３ａ＝１、且つＶ５４＝１となる場合、異常検知信号であるＶｕｖ−ｅｒを論理積（ＡＮＤ）器９１に出力し、Ｖ５３ｂ＝１、且つＶ５４＝１となる場合、論理積（ＡＮＤ）器９１にＶｖｗ−ｅｒを出力する。なお、異常検知信号Ｖｕｖ−ｅｒ、Ｖｖｗ−ｅｒは、論理積（ＡＮＤ）器９１以外に、例えば運転台のモニタ装置に伝送するようにし異常を知らせるようにしても良いし、電力変換器１の制御装置に入力し、電気車を停止させて電圧検出器４や同期電動機２の状態を確認することなどができる。

また、論理積（ＡＮＤ）器９１では、Ｖｕｖ−ｅｒとＶｖｗ−ｅｒが両方入力された場合、同期電動機２、若しくは電圧検出器４ａ、４ｂのどちらかが異常であることを検知し、Ｖ−ｅｒを出力する。即ち、同期電動機２の回転子に取り付けられた永久磁石が減磁、もしくは外れることにより、高い速度でも電圧が発生しなくなり、この状態を２つの電圧検出器が異常であることから捉え、同期電動機２の異常として検知するのである。

以上説明したように、実施の形態３に係る車輪径計測装置は、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車において、同期電動機に発生する２カ所の交流電圧を検出する２つの電圧検出器を備えることによって、演算部では複雑な微分演算処理を行うことなく、簡単な演算のみで電気車の車輪径を演算することが可能となる。従って、上述の実施の形態１、実施の形態２と比較すると、例えば装置を構成する回路の部品点数などが大幅に削減できるため、装置構成が簡単で、信頼性の高い車輪径計測装置を得ることが可能となる。

さらに、それぞれの電圧検出器に対して故障検知機を有するため、個々に故障を検知できる上、これら２つの故障検知器からの情報により、同期電動機自体の異常を検知することが可能となり、同期電動機と２つの電圧検出器に異常が生じた際には、それぞれ速やかに対処でき、より信頼性が高い電気車の車輪径計測装置を得られる効果がある。

なお、図１２に示した電圧検出器４ａ、４ｂは、電力変換器の交流側のＵ相接続端子１ｕとＶ相接続端子１ｖ、及びＶ相接続端子１ｖとＷ相接続端子１ｗに接続され、同期電動機２に印加されたＵＶ間の線間電圧Ｖｕｖ、及びＶＷ間の線間電圧Ｖｖｗを検出しているが、これに限るものではなく、電圧検出器４は同期電動機２に印加される異なる２つの線間電圧を検出できればよい。また、同期電動機２の交流側の接続端子に取り付けられても良いのは言うまでもない。

従って、例えば図１６に示すように、電圧検出器３ａは電力変換器１側の端子に設け、電圧検出器３ｂは同期電動機２側の端子に設けた場合、図１２に示した電圧検出器のように一つの相の接続端子に２つの電圧検出器を取り付ける必要がなくなり、取り付け作業効率を向上できる効果がある。

実施の形態４．
図１７は、この発明の実施の形態４における車輪径計測装置の構成を示す構成図である。実施の形態４では、実施の形態１の構成に加えて、車輪径補正部１００が追加され、車輪径計測装置３ｂの演算部５で演算された車輪径Ｄを用いて電力変換器１を制御するトルク指令を車輪径差に応じて補正することが可能となる。
なお、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図１７に示すように、本実施の形態４に係る電気車の車輪径計測装置３ｂは、演算部５により演算された車輪径Ｄが車輪径補正部１００に入力され、車輪径差を考慮したトルク指令ＴＲＤが生成され、電力変換器１を制御する制御器１１０に入力される。
図１８は、この発明の実施の形態４における車輪径補正部１００の構成を示す構成図である。以下、この車輪径補正部１００の動作を図１８を用いて説明する。

車輪径補正部１００は、図１８に示すように車輪径Ｄを基準車輪径ＤＩＡＳＴで除算して車輪径補正ゲインＤＩＡＧを演算する除算器１０１と、除算器１０１の出力である車輪径補正ゲインＤＩＡＧが、最小車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＩ以下、最大車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＸ以上にならないようにするリミッタ１０２と、リミッタ１０２の出力である車輪径補正ゲインＤＩＡＧＲにトルク指令ＴＲを掛ける乗算器１０３で構成されている。

除算器１０１では、以下の（２１）式の演算を行う。

なお、基準車輪径ＤＩＡＳＴは、通常０.８２[ｍ]が設定される。また、電気車の車輪径Ｄは、どのような電気車の運転条件でも０.７３ｍ≦Ｄ≦０.９０ｍの範囲内となることを発明者らは発見した。従って、除算器１０１演算された出力である車輪径ゲインＤＩＡＧは、リミッタ１０２に入力され、以下の処理を行う。

最小車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＩ≦車輪径ゲインＤＩＡＧ≦最大車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＸの場合、リミッタ１０２の出力値ＤＩＡＧＲを車輪径ゲインＤＩＡＧとする。
最小車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＩ＞車輪径ゲインＤＩＡＧの場合、リミッタ１０２の出力値ＤＩＡＧＲを最小車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＩとする。
車輪径ゲインＤＩＡＧ＞最大車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＸの場合、リミッタ１０２の出力値ＤＩＡＧＲを最大車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＸとする。

ここで、最大車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＸは、車輪径Ｄが０.７３ｍ≦車輪径Ｄ≦０.９０ｍの範囲内であるため、例えば、１以上１.１（＝０.９０／０.８２）以下の値とすればよく、同様に、最小車輪径補正ゲインＤＩＡＧＭＩは、車輪径Ｄが０.７３ｍ≦車輪径Ｄ≦０.９０ｍの範囲内であるため、例えば０.９（＝０.７３／０.８２）以上１以下の値とすればよい。
このリミッタ１０２によって、想定できないゲインで補正することは無くなり、トルク指令制御の信頼性を高めることができる。

リミッタ１０２の出力値ＤＩＡＧＲと、運転台などから与えられるトルク指令ＴＲが乗算器１０３に入力され、掛け合わされる。その結果、車輪径差を考慮したトルク指令ＴＲＤが生成され、制御器１１０に出力される。即ち、個々の車輪径に応じたトルク指令ＴＲＤが制御器１１０に入力されることにより、制御器１１０では、例えば公知である車輪径補正つきのベクトル制御などによって電力変換器１を制御することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態４に係る電気車の車輪径計測装置は、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車において、実施の形態１の構成に加えて、車輪径補正部が追加されたため、演算部で演算された車輪径Ｄを車輪径補正部に入力することで、電力変換器を制御するトルク指令を車輪径差に応じて補正することが可能となる。即ち、同期電動機によって駆動する速度センサレスベクトル制御の電気車の車輪径補正が可能となるため、安定した電気車の加減速制御が実現でき、電気車の走行を快適にするものである。

なお、上述の本実施の形態４の説明において車輪径計測装置３は、実施の形態１によるものであったが、これに限るものではなく、実施の形態２、及び実施の形態３の車輪径計測装置においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

Claims (10)

1. 直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器によって駆動される同期電動機を備えた電気車の車輪径計測装置であって、
   前記電力変換器が停止している前記電気車の惰行中に、前記同期電動機の界磁により発生した交流電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電気車の速度情報と前記電圧検出器で検出された交流電圧とから、前記同期電動機によって駆動される車輪の車輪径を演算する演算部とを備えたことを特徴とする電気車の車輪径計測装置。
2. 前記演算部は、
   前記同期電動機によって直接駆動されない非駆動軸の速度を検出する速度検出器と、
   前記速度検出器の検出値と所定の値を比較し、前記電圧検出器の故障を検知する故障検知器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の車輪径計測装置。
3. 前記演算部は、
   前記電圧検出器で検出された交流電圧からオフセット電圧を除去し、回転角速度を算出する速度演算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の車輪径計測装置。
4. 前記演算部は、
   前記同期電動機が回転していない間に前記電圧検出器の平均オフセット量を算出し、前記電圧検出器で検出された交流電圧から前記平均オフセット量を除去するオフセット補償器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の車輪径計測装置。
5. 前記演算部は、
   前記電圧検出器で検出された交流電圧を微分演算処理し、前記電圧検出器のオフセット電圧を除去する速度演算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の車輪径計測装置。
6. 前記電圧検出器は、
   前記同期電動機に印加される異なる２カ所の線間電圧を検出する第１の電圧検出器、第２の電圧検出器からなり、
   前記演算部は、
   前記電気車の速度情報と前記第１の電圧検出器、及び前記第２の電圧検出器で検出された交流電圧とから、前記同期電動機によって駆動される車輪の車輪径を演算することを特徴とする請求項１に記載の電気車の車輪径計測装置。
7. 前記演算部は、
   前記第１の電圧検出器、及び前記第２の電圧検出器の検出値と所定の値とをそれぞれ比較し、前記第１の電圧検出器、及び前記第２の電圧検出器の異常をそれぞれ検知する第１の故障検知器、及び第２の故障検知器を備えたことを特徴とする請求項６に記載の電気車の車輪径計測装置。
8. 前記演算部は、
   前記第１の故障検知器、及び前記第２の故障検知器の出力に基づき、前記同期電動機、または前記第１の電圧検出器、または前記第２の電圧検出器の異常を検知することを特徴とする請求項７に記載の電気車の車輪径計測装置。
9. 前記演算部が演算した車輪径に応じて、
   前記電力変換器を制御するためのトルク指令値を補正する車輪径補正部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の電気車の車輪径計測装置。
10. 前記車輪径補正部は、
    前記演算部が演算した車輪径を基準車輪径で除した車輪径補正ゲインを、所定の範囲内にするリミッタを備えたことを特徴とする請求項９に記載の電気車の車輪径計測装置。

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