JP4818463B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台のモータを個別に制御するインバータを具備する電気車制御装置に関する。

電気車を駆動する電動機の制御装置として、可変電圧可変周波数インバータ（以下ＶＶＶＦインバータと称す）装置により制御する電気車制御装置がある。また、１電気車に対して複数の電動機により駆動する電気車制御装置がある。この場合、複数の電動機は、それぞれ対応するＶＶＶＦインバータにより制御される。

上記したような電気車制御装置が用いられる電気車において、雨及び雪などの為に、車輪と線路とで空転が起こる場合がある。空転が生じている場合、電動機のトルクが線路に伝わらない。この結果、車両の走行性能が低下するという問題がある。

そこで、日本国出願の特許文献である特開２００５−６４０３号公報では、空転を検知した場合、電動機の軸の回転速度（軸速度）を制御して車輪を線路に再粘着させる空転再粘着制御を行う電気車制御装置が提供されている。

電気車の空転再粘着制御として、例えば、加速度検知制御及びすべり速度制御などがある。空転が生じる場合、電動機の軸速度が急激に変化（増加）する。この為、電気車制御装置は、電動機の軸速度を監視し、軸速度の時間変化率が所定以上である場合、トルクを絞る加速度検知制御を行う。

また、すべり速度制御を行う場合、電気車制御装置は、複数の電動機の軸速度に基づいて基準速度を判断し、自軸の軸速度が基準速度を超過した速度に応じてトルクを絞る。

しかし、上記した電気車制御装置は、加速度検知制御を行う場合、１つの軸の軸速度のみを監視することにより空転再粘着制御を行う。しかし、加速度検知制御を行う場合、トルクの絞り量が大きくなる傾向がある。この為、空転が頻発する場合、平均加速トルクが大幅に低下し、車両の走行性能が低下するという問題がある。

また、上記した電気車制御装置は、すべり速度制御を行う場合、複数の軸の軸速度を監視することにより空転再粘着制御を行う。すべり速度制御を行う場合、瞬間の粘着力に応じて軸速度を制御する。この場合、一次遅れ要素のために、速度を制御するタイミングにラグが生じる。この為、再粘着が行われない状態が生じる。例えば、全ての軸において空転が生じた場合、電気車制御装置は、基準速度を判断することができなくなる。この結果、空転再粘着制御を行なう事ができなくなるという問題がある。

また、軸速度を伝送する為の伝送線、電動機の軸の回転数を検知するためのパルスジェネレータ（ＰＧ）、または、インバータなどに異常が生じた場合、上記した電気車制御装置は、基準速度を判断することができなくなる、または、空転を誤検知する可能性があるという問題がある。この場合も、電気車制御装置は、空転再粘着制御を行なう事ができなくなる。

そこで、本発明の一形態における目的は、正確な空転再粘着制御を行なう事ができる電気車制御装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る電気車制御装置は、複数の電動機と、前記電動機を個別に制御する複数のインバータとを具備する電気車制御装置であって、前記各電動機に対応するように設けられ、前記電動機の軸速度を演算する軸速度演算手段と、前記軸速度演算手段により演算される前記各電動機の軸速度に基づいて基準速度を演算する基準速度演算手段と、前記各インバータに対応するように設けられ、前記軸速度演算手段により演算される前記電動機の軸速度の時間的変化率に応じてトルク絞り量を算出し、トルクを絞る加速度検知制御手段と、前記各インバータに対応するように設けられ、前記軸速度演算手段により検出される前記電動機の軸速度と前記基準速度演算手段により出力される基準速度との差に基づいてトルクを絞るすべり速度制御手段と、前記各インバータに対応するように設けられ、軸速度の検知の状態を監視し、状態信号を出力する状態監視手段と、前記各状態監視手段から受信する複数の状態信号に基づいて前記インバータの制御を前記加速度検知制御手段と前記すべり速度制御手段とで切り替える切替手段とを具備する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明する為のブロック図である。 図２は、図１に示す空転制御部の構成例について説明する為のブロック図である。 図３は、図１に示す空転制御部の構成例について説明する為のブロック図である。 図４は、図１に示す空転制御部の構成例について説明する為のブロック図である。 図５は、図１に示す空転制御部の構成例について説明する為のブロック図である。 図６は、空転制御部の他の構成例について説明する為のブロック図である。 図７は、空転制御部の他の構成例について説明する為のブロック図である。 図８は、空転制御部の他の構成例について説明する為のブロック図である。 図９は、空転制御部の他の構成例について説明する為のブロック図である。

以下、図を参照しながら、本発明の一実施形態に係る電気車制御装置について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明する為のブロック図である。

図１に示すように、電気車制御装置１００は、ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４、静電誘導電動機（以下、電動機と称する）１０５乃至１０８、パルスジェネレータ（ＰＧ）１１１乃至１１４、及び制御部２０１乃至２０４を備えている。また、電気車制御装置１００は、パンタグラフ１１５をさらに備えている。また、電気車制御装置１００は、基準速度演算部２９１をさらに備えている。

図１に示すように、パンタグラフ１１５は、直流架線から直流電力を集電する。パンタグラフ１１５は、直流架線から集電した直流電力を、それぞれ並列に接続されたＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４に供給する。

各ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４は、直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータ１０１は、電動機１０５に接続されている。ＶＶＶＦインバータ１０２は、電動機１０６に接続されている。ＶＶＶＦインバータ１０３は、電動機１０７に接続されている。ＶＶＶＦインバータ１０４は、電動機１０８に接続されている。

各ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４は、変換した交流電力をそれぞれ接続されている電動機１０５乃至１０８に供給する。即ち、ＶＶＶＦインバータ１０１は、電動機１０５に交流電力を供給する。ＶＶＶＦインバータ１０２は、電動機１０６に交流電力を供給する。ＶＶＶＦインバータ１０３は、電動機１０７に交流電力を供給する。ＶＶＶＦインバータ１０４は、電動機１０８に交流電力を供給する。

電動機１０５乃至１０８は、受給した交流電力に応じて動作し、機械的な動力を得る。即ち、電動機１０５乃至１０８に交流電力が供給された場合、回転子のコイルに電流が流れ、磁場が発生する。この、コイルにより発生した磁場と、固定子の磁場との相互作用により、軸を回転させる機械的エネルギーを発生する。

パルスジェネレータ１１１乃至１１４は、電動機の軸の回転数を検知する。パルスジェネレータ１１１は、電動機１０５の軸の回転数を検知する。パルスジェネレータ１１２は、電動機１０６の軸の回転数を検知する。パルスジェネレータ１１３は、電動機１０７の軸の回転数を検知する。パルスジェネレータ１１４は、電動機１０８の軸の回転数を検知する。

パルスジェネレータ１１１乃至１１４は、制御部２０１乃至２０４にそれぞれ接続されている。即ち、パルスジェネレータ１１１は、電動機１０５の軸の回転数を制御部２０１に伝達する。パルスジェネレータ１１２は、電動機１０６の軸の回転数を制御部２０２に伝達する。パルスジェネレータ１１３は、電動機１０７の軸の回転数を制御部２０３に伝達する。パルスジェネレータ１１４は、電動機１０８の軸の回転数を制御部２０４に伝達する。

制御部２０１乃至２０４は、空転制御部２１１乃至２１４と、状態監視部２１５乃至２１８とを備えている。図１に示すように、制御部２０１乃至２０４は、電動機１０５乃至１０８のそれぞれの軸に対応するように設けられている。

空転制御部２１１乃至２１４は、軸速度の演算、空転の検知、及び、電動機の軸速度を制御し車輪を再粘着させる空転再粘着制御を行う。空転制御部２１１乃至２１４は、電動機１０５乃至１０８の軸速度を基準速度演算部２９１にそれぞれ出力する。

また、空転制御部２１１乃至２１４は、空転再粘着制御により、適切なトルク指令を演算により算出し、算出したトルク指令を１０１乃至１０４に送信する。即ち、空転制御部２１１乃至２１４は、空転再粘着制御により、ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４から出力される交流電力の電圧、及び周波数を制御する。これにより、空転制御部２１１乃至２１４は、電動機１０５乃至１０８の軸速度を制御する。

状態監視部２１５乃至２１８は、状態監視手段として機能する。状態監視部２１５乃至２１８は、軸速度を伝送する為の伝送線、電動機の軸の回転数を検知するためのパルスジェネレータ１１１乃至１１４、または、ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４が開放するなどして異常が発生したことを検知する。即ち、状態監視部２１５乃至２１８は、軸速度の検知の状態を監視する。

状態監視部２１５乃至２１８は、異常の有無に基づいて状態信号を各制御部２０１乃至２０４に通知する。即ち、状態監視部２１５乃至２１８は、異常を検知した場合、異常信号を各制御部２０１乃至２０４に通知する。状態監視部２１５乃至２１８は、異常を検知していない場合、正常信号を各制御部２０１乃至２０４に通知する。

すなわち、状態監視部２１５乃至２１８は、電動機の軸の回転数を検知するためのパルスジェネレータ１１１乃至１１４などの故障の為に、軸速度の演算が正確に行われていないと判断した場合、異常信号を通知する。

また、状態監視部２１５乃至２１８は、軸速度を伝送する為の伝送線などの故障の為に、軸速度の伝送が正確に行われていないと判断した場合、異常信号を通知する。

またさらに、状態監視部２１５乃至２１８は、ＶＶＶＦインバータ１０１乃至１０４の異常（たとえば開放など）を検知した場合、異常信号を通知する。

基準速度演算部２９１は、各制御部２０１乃至２０４から受信した軸速度に基づいて、基準速度を算出する。基準速度演算部２９１は、たとえば、各制御部２０１乃至２０４から受信した軸速度のうち、最も遅い速度を基準速度として採用する。基準速度演算部２９１は、決定した基準速度を各制御部２０１乃至２０４に配信する。

空転制御部２１１乃至２１４は、加速度検知制御とすべり速度制御とのいずれかにより空転再粘着制御を行う。空転制御部２１１乃至２１４は、状態監視部２１５乃至２１８により通知される異常信号の数に応じて、加速度検知制御とすべり速度制御とのどちらで空転再粘着制御を行うかを決定する。

図２乃至図５は、図１に示す空転制御部２１１乃至２１４の構成例について説明する為のブロック図である。
なお、図２乃至図５に示す空転制御部２１１乃至２１４は、同一の構成であるので、以下、図２に示す空転制御部２１１について説明する。

空転制御部２１１は、速度演算部２２１、すべり速度制御部２２５、加速度検知制御部２４１、カウンタ２６１、コンパレータ２６５、切替器２７１、及びトルク指令パターン出力部２８１を備えている。

速度演算部２２１は、パルスジェネレータ１１１から受信した電動機１０５の軸の回転数に基づいて、電動機１０５の軸速度を算出する。速度演算部２２１は、算出した軸速度を示す信号を、基準速度演算部２９１、すべり速度制御部２２５、及び加速度検知制御部２４１に出力する。

すべり速度制御部２２５は、減算器２３１及び一次遅れ増幅部２３５を備えている。減算器２３１は、速度演算部２２１により算出された軸速度から、基準速度演算部２９１により算出された基準速度を減算する。減算器２３１は、速度のゼロ以上の値の偏差分を一次遅れ増幅部２３５に出力する。

一次遅れ増幅部２３５は、減算器２３１により減算されて出力された信号の急激な変化を抑制するフィルタ処理を行う。一次遅れ増幅部２３５は、フィルタ処理後の信号を切替器２７１の入力端子に入力する。

即ち、すべり速度制御部２２５は、電動機１０５の軸速度と基準速度との差を出力する。すべり速度制御により空転再粘着制御を行う場合、制御部２０１は、電動機１０５の軸速度と基準速度との差に応じてトルクを絞るように制御する。この場合、制御部２０１及び空転制御部２１１は、すべり速度制御手段として機能する。

加速度検知制御部２４１は、加速度検知部２４５及びトルク絞り復帰制御部２５１を備えている。加速度検知部２４５は、速度演算部２２１により算出された軸速度の時間的変化率を逐次算出する。

トルク絞り復帰制御部２５１は、加速度検知部２４５により算出された変化率に基づいて、空転が発生したか否かの判断を行う。即ち、トルク絞り復帰制御部２５１は、空転検知手段として機能する。空転が発生したと判断した場合、トルク絞り復帰制御部２５１は、車輪の空転を抑えることが出来る軸速度を判断し、電動機１０５のトルク絞り量を算出する。トルク絞り復帰制御部２５１５は、トルク絞り量を示す信号を切替器２７１の入力端子に入力する。

加速度検知制御により空転再粘着制御を行う場合、制御部２０１は、トルク絞り復帰制御部２５１により算出したトルク絞り量に応じてトルクを絞るように制御する。この場合、制御部２０１及び空転制御部２１１は、加速度検知制御手段として機能する。

カウンタ２６１は、入力端子に入力される正常信号の数をカウントし、カウントした正常信号の数を出力端子から出力する。即ち、カウンタ２６１は、他の制御部の状態監視部（この場合、状態監視部２１６、２１７、及び２１８）から通知される正常信号の数をカウントする。カウンタ２６１は、カウントした正常信号の数をコンパレータ２６５に出力する。

コンパレータ２６５は、２つの入力端子（端子Ａ及び端子Ｂ）に入力される信号を比較し、比較結果に基づいて「１」（Ｈｉｇｈ）と「０」（Ｌｏｗ）のいずれかの信号を切替器２７１に入力する。

コンパレータ２６５の入力端子Ａには、カウンタ２６１から出力される信号が入力される。即ち、コンパレータ２６５の入力端子Ａには、カウンタ２６１によりカウントした正常信号の数に対応するレベルの信号が入力される。

コンパレータ２６５の入力端子Ｂには、任意の数に対応するレベルの信号が入力される。なお、任意の数は、１以上、且つ、当該電気車制御装置１００が具備する電動機の数を超えない範囲で自由に設定することができる。

入力端子Ｂに入力される信号のレベルを決定するための任意の数により、空転再粘着制御としてすべり速度制御を選択する条件が決定される。すなわち、正常信号の数が、この入力端子Ｂに入力される信号のレベルを決定するための任意の数以上である場合、空転再粘着制御としてすべり速度制御を選択される。

コンパレータ２６５は、入力端子Ａに入力される信号が入力端子Ｂに入力される信号以上である場合、出力端子から「１」を出力する。即ち、コンパレータ２６５は、カウンタ２６１によりカウントした正常信号の数が任意の数以上である場合、出力端子から「１」を出力する。

切替器２７１は、すべり速度制御部２２５から入力される信号と、加速度検知制御部２４１から出力される信号とのいずれかをコンパレータ２６５の出力に基づいて切り替えて出力する。即ち、切替器２７１は、コンパレータ２６５から「１」が入力された場合、すべり速度制御部２２５から入力される信号を減算器２８５に出力する。また、切替器２７１は、コンパレータ２６５から「０」が入力された場合、加速度検知制御部２４１から入力される信号を減算器２８５に出力する。

トルク指令パターン出力部２８１は、ノッチなどによる操作に応じてトルク指令パターンを減算器２８５に出力する。

減算器２８５は、トルク指令パターン出力部２８１により出力されたトルク指令パターンの信号から、切替器２７１から出力された信号を減算し、出力する。

空転制御部２１１は、減算器２８５から出力された信号をトルク指令信号として、ＶＶＶＦインバータ１０１に出力する。ＶＶＶＦインバータ１０１は、入力されたトルク指令信号に基づいて、電圧指令を逐次演算する。ＶＶＶＦインバータ１０１は、演算した電圧指令に基づいて、ＶＶＶＦインバータ１０１内の各ゲートを制御する為のゲート指令を生成し、インバータを制御する。

上記したように、本実施形態に係る電気車制御装置の各制御部は、他の各制御部からそれぞれの制御部が対応する軸の状態を示す信号を受信する。各制御部は、受信した信号に基づいて、正確に軸速度を検知することができている軸の数をカウントする。各制御部は、カウントした数が予め定められた任意の数以上である場合、すべり速度制御を行う。また、各制御部は、カウントした数が予め定められた任意の数未満である場合、加速度検知制御を行う。これにより、各軸の軸速度の検知の状態に応じて、すべり速度制御と加速度検知制御とを切り替えることが出来る。

この結果、正確な空転再粘着制御を行なう事ができる電気車制御装置を提供することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図６乃至図９は、空転制御部の他の構成例について説明する為のブロック図である。
なお、図６乃至図９に示す空転制御部２１１乃至２１４は、同一の構成であるので、以下、図６に示す空転制御部２１１について説明する。

空転制御部２１１は、速度演算部２２１、すべり速度制御部２２５、加速度検知制御部２４１、カウンタ２６１、コンパレータ２６５、切替器２７１、トルク指令パターン出力部２８１、カウンタ３０１、コンパレータ３０５、及び論理積回路３１１を備えている。 カウンタ３０１は、入力端子に入力される正常信号の数をカウントし、カウントした正常信号の数を出力端子から出力する。カウンタ３０１の入力端子は、他の制御部２１２、２１３、及び２１４に接続されている。

他の制御部２１２、２１３、及び２１４は、空転を検知した場合、正常信号をカウンタ３０１に入力する。他の制御部２１２、２１３、及び２１４は、空転を検知しない場合、正常信号をカウンタ３０１に入力する。カウンタ３０１は、受信する正常信号の数をカウントし、カウントした数をコンパレータ３０５に出力する。

コンパレータ３０５は、２つの入力端子（端子Ａ及び端子Ｂ）に入力される信号を比較し、比較結果に基づいて「１」（Ｈｉｇｈ）と「０」（Ｌｏｗ）のいずれかの信号を論理積回路３１１に出力する。

コンパレータ３０５の入力端子Ａには、カウンタ３０１から出力される信号が入力される。即ち、コンパレータ３０５の入力端子Ａには、カウンタ３０１によりカウントした正常信号の数に対応するレベルの信号が入力される。

コンパレータ３０５の入力端子Ｂには、「１」に対応するレベルの信号が入力される。コンパレータ３０５は、入力端子Ａに入力される信号が入力端子Ｂに入力される信号以上である場合、出力端子から「１」を出力する。即ち、コンパレータ３０５は、カウンタ３０１によりカウントした正常信号の数が「１」以上である場合、出力端子から「１」を論理積回路３１１に出力する。

論理積回路３１１は、少なくとも２つの入力端子を有する。論理積回路３１１は、全ての入力端子に「１」が入力される場合、「１」の信号を切替器２７１に出力する。

論理積回路３１１の入力端子は、コンパレータ２６５に接続されている。また、論理積回路３１１の他の入力端子は、コンパレータ３０５に接続されている。即ち、論理積回路３１１は、状態監視部２１６、２１７、及び２１８から通知される正常信号の数がコンパレータ２６５で設定されている任意の数以上であり、且つ、各制御部２１２、２１３、及び２１４から受信する正常信号の数が「１」以上である場合、「１」の信号を切替器２７１に出力する。

上記したように、本実施形態に係る電気車制御装置の各制御部は、他の各制御部からそれぞれの制御部が対応する軸の状態を示す信号を受信する。各制御部は、受信した信号に基づいて、正確に軸速度を検知することができている軸の数をカウントする。また、電気車制御装置の各制御部は、他の各制御部から空転検知に関する信号を受信する。各制御部は、受信した信号に基づいて、空転を起こしていない軸の数をカウントする。

各制御部は、正確に軸速度を検知することができている軸の数が予め設定される任意の数以上であり、且つ、空転を起こしていない軸の数が１つ以上ある場合、すべり速度制御を行う。また、各制御部は、正確に軸速度を検知することができている軸の数が予め設定される任意の数未満である、または、空転を起こしていない軸の数が０である場合、加速度検知制御を行う。

これにより、各軸の軸速度及び空転の検知の状態に応じて、すべり速度制御と加速度検知制御とを切り替えることが出来る。この結果、正確な空転再粘着制御を行なう事ができる電気車制御装置を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具現化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明の一形態によれば、正確な空転再粘着制御を行なう事ができる電気車制御装置を提供することができる。

Claims (5)

1. 複数の電動機と、前記電動機を個別に制御する複数のインバータとを具備する電気車制御装置であって、
   前記各電動機に対応するように設けられ、前記電動機の軸速度を演算する軸速度演算手段と、
   前記軸速度演算手段により演算される前記各電動機の軸速度に基づいて基準速度を演算する基準速度演算手段と、
   前記各インバータに対応するように設けられ、前記軸速度演算手段により演算される前記電動機の軸速度の時間的変化率に応じてトルク絞り量を算出し、トルクを絞る加速度検知制御手段と、
   前記各インバータに対応するように設けられ、前記軸速度演算手段により検出される前記電動機の軸速度と前記基準速度演算手段により出力される基準速度との差に基づいてトルクを絞るすべり速度制御手段と、
   前記各インバータに対応するように設けられ、軸速度の検知の状態を監視し、状態信号を出力する状態監視手段と、
   前記各状態監視手段から受信する複数の状態信号に基づいて前記インバータの制御を前記加速度検知制御手段と前記すべり速度制御手段とで切り替える切替手段と
   を具備することを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記状態監視手段は、前記軸速度演算手段により軸速度の演算が正確に行われていないと判断した場合、異常信号を状態信号として出力し、
   前記切替手段は、前記状態監視手段から受信する異常信号の数が予め設定される所定数以上であると判断した場合、前記加速度検知制御手段を選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記状態監視手段は、前記軸速度演算手段により演算された軸速度が前記基準速演算部に正確に伝送されていないと判断した場合、異常信号を状態信号として出力し、
   前記切替手段は、前記状態監視手段から受信する異常信号の数が予め設定される所定数以上であると判断した場合、前記加速度検知制御手段を選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 前記状態監視手段は、前記各インバータの異常を検知した場合、異常信号を状態信号として出力し、
   前記切替手段は、前記状態監視手段から受信する異常信号の数が予め設定される所定数以上であると判断した場合、前記加速度検知制御手段を選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
5. 前記軸速度演算手段により演算される前記複数の電動機の軸速度の時間的変化率に応じて空転をそれぞれ検知する空転検知手段をさらに具備し、
   前記切替手段は、前記状態監視手段が異常を検知した場合に出力される異常信号の数が予め設定される所定数以上である場合、または、他の全ての軸において空転を検知している場合、前記加速度検知制御手段を選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。

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