JP4850543B2 - だ行回転速度推定装置及びだ行回転速度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の最高回転速度である永久磁石同期電動機のだ行回転速度推定装置及びだ行回転速度の推定方法に関する。

永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）は誘導電動機に比べて高効率であるため、産業分野等において広く用いられており、この永久磁石同期電動機（以下、「ＰＭＳＭ」という。）の更なる小型軽量化等のために、回転子位置センサを除去した、いわゆる位置センサレス制御方法が研究・開発されている。

中でも、給電が停止された状態のＰＭＳＭを再給電して再起動するためには、ＰＭＳＭの回転子位置及び回転子速度を正確に推定する必要がある。例えば、非特許文献１には位置センサレスによるＰＭＳＭの再起動時の制御方法が開示されており、回転子位置及び回転子の回転速度を推定する方法が記載されている。以下、非特許文献１に記載の推定方法について簡単に説明する。

ＰＭＳＭのｄ−ｑ軸座標系（磁極座標系）における電圧方程式は以下の式（１）で表される。

ここで、ｖ_ｄ，ｖ_ｑはｄ-ｑ軸電機子電圧、ｉ_ｄ，ｉ_ｑはｄ−ｑ軸電機子電流、Ｒは巻線抵抗、Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑはｄ−ｑ軸インダクタンス、Ｋ_Ｅは速度起電力係数、ｐは微分演算子（ｄ／ｄｔ）である。

式（１）においてｑ軸時定数Ｌ_ｑ／Ｒに対して短絡時間Ｔが十分短いとしてＲ≒０と近似した場合に、初期電流ｉ（０）＝０で、三相短絡（ｖ_ｄ＝０，ｖ_ｑ＝０）した後の時刻Ｔにおける電流ベクトルｉ（Ｔ）は次式（２）となる。

式（２）において、電流ベクトルｉ（Ｔ）の大きさを｜Ｉ｜とし、更にｓｉｎθＴ≒θＴ、ｃｏｓθＴ≒１と近似することで次式（３）となる（θの下線は、数式中のドットを便宜的に表したものであり、θは位置θの時間微分、即ち速度を表す。他の式も同様である。）。

式（３）によれば、式（３）の電流ベクトルｉ（Ｔ）の大きさ｜Ｉ´｜は速度θに比例し、方向はθ＞０の時にｑ軸の負方向であるから、ｉ（Ｔ）の大きさから速度θが、方向から回転子位置θが、それぞれ推定できる。推定速度をθ _ｅとすると、推定速度の大きさ｜θ _ｅ｜は次式（４）で得られる。

また、速度の正負の特定については、適当な時間をおいて推定操作を２回行うことで、電流ベクトルｉ（Ｔ）の回転方向より判明できる。

ここで、図１３に、式（２）による電流ベクトルと、式（３）による電流ベクトルとを示す。図１３において実線が式（２）による電流ベクトルＩで、破線が式（３）による電流ベクトルＩ´である。推定速度θ _ｅは、式（３）の近似した電流ベクトルＩ´に基づき求められるが、実際に検出される電流ベクトルは式（２）に示したものである。より正確な推定を行うためには、式（２）と式（３）それぞれの電流ベクトル間の関係に基づく補正を行う必要がある。

式（２）と式（３）それぞれの電流ベクトルの大きさ｜Ｉ｜、｜Ｉ´｜の大小関係はモータ定数によって異なる。｜Ｉ｜と｜Ｉ´｜との比ｎ_Ｉは次式（５）で求まる。

式（５）を用いて、推定速度の大きさを求める式（４）を補正したのが次式（６）である。

竹下隆晴、臼井明、渡辺淳一、松井信行「再給電時のセンサレス永久磁石形同期電動機の制御」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.118-D、No.12、平成１０年、p.1443-1449

非特許文献１の技術によれば、給電されていない状態のＰＭＳＭの回転速度を式（６）によって推定することができる。しかし、非特許文献１が対象とするＰＭＳＭは一般産業用のものである。鉄道車両等の電気車駆動用のＰＭＳＭは、一般産業用に比べて、最高回転速度が速く、電流制御周期が長い。従って、短絡時間を最短の電流制御周期１周期分にしたとしてもθＴが大きくなる。

単純計算してみよう。例えば、最高回転速度が３００Ｈｚの場合の角周波数ωは、２πｆ≒２×３．１４×３００＝１８８４となる。さらに、鉄道車両用の制御装置による電流制御周期を１ｋＨｚとし、短絡時間Ｔを１周期である１ｍｓｅｃとすると、短絡時間Ｔの間に電流ベクトルが回転する角度は、１８８４×１ｍ＝１．８８４ｒａｄ＝１０８ｄｅｇとなる。即ち、短絡時間Ｔの間に電流ベクトルは１０８度回転してしまう。

非特許文献１の技術を用いて、電気車の代表例である鉄道車両駆動用のＰＭＳＭをだ行状態から再起動した場合のシミュレーションを行った。以下、シミュレーション結果を説明する。

図１４は鉄道車両が低速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果である。具体的には、走行速度が２０ｋｍ／ｈ（機械回転数１０００ｒ／ｍｉｎ、電気角周波数３３Ｈｚ）の時のシミュレーション結果であり、同図（ａ）がｄｑ軸それぞれの電流のシミュレーション結果、同図（ｂ）が電気角速度のシミュレーション結果である。

図１５は鉄道車両が中速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果である。具体的には、走行速度が６０ｋｍ／ｈ（機械回転数３０００ｒ／ｍｉｎ、電気角周波数１００Ｈｚ）の時のシミュレーション結果であり、同図（ａ）がｄｑ軸それぞれの電流のシミュレーション結果、同図（ｂ）が電気角速度のシミュレーション結果である。

図１４、１５ともに、０．１秒の時点でＰＭＳＭの再起動制御を開始しており、０．１秒時点の推定角速度が、非特許文献１の技術によって推定されたものである。図１４（ｂ）に示すように低速域における誤差は約２０ｒａｄ／ｓｅｃであるが、中速域では図１５（ｂ）に示すように約３５０ｒａｄ／ｓｅｃに拡大している。その結果、中速域では再起動時のｄｑ軸電流が大きく変動してしまい、適切な再起動がなされたとは言い難い。また中速域での誤差量は実際の電気角速度の約６割に達しており、誤差の範疇を超え、推定失敗とも考えられる。さらに、図１５は中速域におけるシミュレーション結果であり、高速域においては、誤差量が更に拡大することが予想される。

以上のように、非特許文献１の技術を、鉄道車両駆動用ＰＭＳＭのだ行回転速度の推定に適用することはできない。電気自動車等の鉄道車両以外の電気車においても同様と考えられる。勿論、電気車駆動用以外のＰＭＳＭであっても、制御演算周期が電気車駆動用の制御演算周期と同様の場合には、同様の問題が生ずるのは勿論である。

本発明の目的とするところは、制御演算周期が長い場合であっても、ＰＭＳＭのだ行回転速度をより正確に推定することである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
所定の最高回転速度である永久磁石同期電動機のだ行回転速度推定装置であって、
前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡させる制御を行う第１の短絡制御手段（例えば、図１の短絡制御部１２）と、
所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出手段（例えば、図１の短絡電流ベクトル算出部１４）と、
前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より短い時間として予め定められた所定の間隔時間が、前記第１の短絡制御手段による短絡制御から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡させる制御を行う第２の短絡制御手段（例えば、図１の短絡制御部１２）と、
前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出手段（例えば、図１の短絡電流ベクトル算出部１４）と、
前記第１及び第２の角度算出手段により求められたそれぞれの角度と前記短絡時間と前記間隔時間とに基づいて前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段（例えば、図１の速度推定部１６）と、
を備えるだ行回転速度推定装置である。

また他の発明として、
所定の最高回転速度である永久磁石同期電動機のだ行回転速度を推定するだ行回転速度推定方法であって、
前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡する第１の短絡ステップと、
所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出ステップと、
前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より短い時間として予め定められた所定の間隔時間が、前記第１の短絡ステップにおける短絡から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡する第２の短絡ステップと、
前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出ステップと、
前記第１及び第２の角度算出ステップにおいて求められたそれぞれの角度と前記短絡時間と前記間隔時間とに基づいて前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
を含むだ行回転速度推定方法を構成してもよい。

この第１の発明等によれば、１回目及び２回目の短絡時における電流ベクトルの角度と、短絡時間と、その短絡間隔時間とに基づいて、電動機の回転速度が推定される。このとき、１回目及び２回目の短絡時間はそれぞれ同一であり、短絡間隔時間は電動機の最高回転速度における半回転時間より短い時間に定められる。従って、１回目の短絡電流ベクトルと２回目の短絡電流ベクトルの相対位置関係に基づいてより正確な速度を推定することができる。

第２の発明は、
所定の最高回転速度である永久磁石同期電動機のだ行回転速度推定装置であって、
前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡させる制御を行う第１の短絡制御手段と、
所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出手段と、
前記第１の短絡制御手段による短絡制御から第１の間隔時間の後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡させる制御を行う第２の短絡制御手段と、
前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出手段と、
前記第１の間隔時間との差が、前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より所定の間隔差異時間異なる時間として予め定められた第２の間隔時間が、前記第２の短絡制御手段による短絡制御から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡させる制御を行う第３の短絡制御手段と、
前記電流検出手段によって検出される前記第３の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第３の角度算出手段と、
前記第１，第２及び第３の角度算出手段により求められたそれぞれの角度と前記間隔差異時間とに基づいて前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、
を備えるだ行回転速度推定装置である。

また他の発明として、
所定の最高回転速度である永久磁石同期電動機のだ行回転速度を推定するだ行回転速度推定方法であって、
前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡する第１の短絡ステップと、
所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出ステップと、
前記第１の短絡ステップにおける短絡から第１の間隔時間の後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡する第２の短絡ステップと、
前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出ステップと、
前記第１の間隔時間との差が、前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より所定の間隔差異時間異なる時間として予め定められた第２の間隔時間が、前記第２の短絡ステップにおける短絡から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡する第３の短絡ステップと、
前記電流検出手段によって検出される前記第３の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第３の角度算出ステップと、
前記第１，第２及び第３の角度算出ステップにおいて求められたそれぞれの角度と前記間隔差異時間とに基づいて前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
を含むだ行回転速度推定方法を構成してもよい。

この第２の発明等によれば、１回目、２回目及び３回目の短絡時における電流ベクトルの角度と、短絡時間と、各短絡間の短絡間隔時間とに基づいて、電動機の回転速度が推定される。このとき、１回目、２回目及び３回目の短絡時間はそれぞれ同一であり、１回目と２回目の短絡間の短絡間隔時間と、２回目と３回目の短絡間の短絡間隔時間との差が電動機の最高回転速度における半回転時間より短い時間に定められる。この短絡間隔時間の差の時間の間にどれだけ電流ベクトルの角度が変化するかを読み取ることで、回転子速度をより正確に推定することができる。

本発明によれば、一般産業用の駆動制御に比べて、電気車駆動用電動機の駆動制御のように制御演算周期が長い場合であっても、ＰＭＳＭのだ行回転速度をより正確に推定することができる。

以下、電気車の代表例である鉄道車両（電車）を駆動する永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）を回転子位置センサレスで制御する電動機制御装置に組み込まれるだ行回転速度推定装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、電車の主回路構成の概略を示すブロック図であり、一の駆動軸についての構成要素を示している。同図に示すように、主回路は、電動機Ｍと、インバータ４０と、電流センサ５０と、電動機制御装置１とを備えて構成される。電動機制御装置１は、ＣＰＵや、プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータにより実現されるものであり、例えば制御ボードとして制御装置の一部として実装されたり、インバータを含めて一体的にインバータ装置として構成され得るものである。

電動機Ｍは、永久磁石同期電動機であり、インバータ４０から電力が供給されることで車軸を回転駆動する主電動機（メインモータ）である。インバータ４０には、パンタグラフ及びコンバータを介して架線の電力が供給される。そして、インバータ４０は、ベクトル制御演算装置３０から入力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に基づいて出力電圧を調整し、電動機Ｍに印加する。電流センサ５０は、電動機Ｍの入力端に設けられ、電動機ＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗを検出する。

但し、だ行時においては、インバータ４０のスイッチングロス低減の観点から、全ゲートをオフし、電動機Ｍへは一切電流が流れない状態で鉄道車両がだ行走行する。

だ行状態から電動機Ｍを再起動する場合に、だ行回転速度推定装置１０がインバータ４０の＋側又は−側全てのＩＧＢＴをオンすることで電動機Ｍの各相端子を短絡させ、短絡時に電流センサ５０によって検出された短絡電流に基づいて電動機Ｍの回転速度を推定する。そして、だ行回転速度推定装置１０によって推定された回転速度等を基にベクトル制御演算装置３０によって電動機Ｍの再起動の制御がなされる。本実施形態は、だ行回転速度推定装置１０によるだ行時の電動機Ｍの回転速度推定が特徴であって、その後のベクトル制御演算装置３０による電動機Ｍの再起動制御は公知の方法であるため、ベクトル制御演算装置３０による電動機Ｍの再起動制御の説明は省略する。

だ行回転速度推定装置１０は、短絡制御部１２と、短絡電流ベクトル算出部１４と、速度推定部１６とを備えて構成される。

短絡制御部１２は、インバータ４０の＋側又は−側全てのＩＧＢＴをオンさせて電動機Ｍの各相端子を短絡させる制御を行う。短絡電流ベクトル算出部１４は、短絡時に電流センサ５０によって検出された各相の短絡電流に基づいて、固定子三相軸における電流ベクトル（以下、この電流ベクトルのことを「短絡電流ベクトル」という。）の角度（固定子軸における位置或いは方向とも定義される。）を求める。

速度推定部１６は、短絡電流ベクトル算出部１４によって求められた短絡電流ベクトルの角度と、短絡制御部１２が行う短絡１回当たりの短絡時間と、複数回の短絡の間隔時間である短絡間隔時間とに基づいて、電動機Ｍの角速度、即ち速度を推定する。

以下、だ行回転速度推定装置１０によるだ行回転速度推定の原理及びその制御内容について説明する。但し、説明を簡明化するため、背景技術において非特許文献１を参照して説明した方法（以下、「従来手法」という。）を基本とし、相違点を中心に説明する。

本実施形態と従来手法との相違点を一言で述べると、１回目の短絡電流と２回目の短絡電流の固定子三相軸上の相対位置によって速度を推定するということである。

短絡時に流れる電流は式（２）に示した通りである。この式に示されるように、回転子速度θが一定ならば、短絡時間Ｔにより短絡電流ベクトルが決まる。即ち、１回目の短絡と２回目の短絡それぞれの短絡時間Ｔを一定とした場合、短絡電流の大きさや固定子ｄ−ｑ軸座標上におけるｑ軸からの偏角θ_０も同じになる。図２は、１回目短絡時の固定子三相軸上の短絡電流ベクトルの一例を示す図であり、図３は、１回目短絡終了後、τ秒経過した後の短絡電流ベクトルの一例を示す図である。図２，３に示すように、１回目の短絡と２回目の短絡それぞれの短絡時間Ｔを一定にすると、この間の短絡電流ベクトルの位相差θ_Ｉ２−θ_Ｉ１とｄ軸の位相差θ_２−θ_１が等しくなる。この結果、短絡電流ベクトルの位相差θ_Ｉ２−θ_Ｉ１から回転子速度が推定できる。

具体的には、次式（７）のように速度推定を行う。

ここで、τ秒は１回目短絡終了後の短絡電流が“０”に減衰するまでの待ち時間であるが、これは、最高速度の時でも短絡電流ベクトルの位相差θ_Ｉ２−θ_Ｉ１がπを超えない範囲で設定する。この位相差がπ（半回転）を超えてしまうと、速度の正負が判定できず、また速度推定も正確に行えないからである。

だ行回転速度推定装置１０の動作は次の通りである。先ず、短絡制御部１２が、インバータ４０を制御することで電動機Ｍの各相端子を短絡時間Ｔの間短絡させる。この短絡が１回目の短絡である。１回目の短絡の間に電流センサ５０によって検出された電流に基づいて、短絡電流ベクトル算出部１４が短絡電流ベクトルの角度を求める。短絡電流ベクトルの角度の算出方法は公知の方法であり、例えば上述の非特許文献１にも記載されている。図４に再掲する。

次いで、１回目の短絡の後、最高回転速度において電動機Ｍの回転子が半回転する時間よりも短い時間として予め定められた短絡間隔時間τが経過して後、短絡制御部１２が、１回目と同じ短絡時間Ｔの間、電動機Ｍの各相端子を短絡させる。この短絡が２回目の短絡である。

２回目の短絡の間に電流センサ５０によって検出された電流に基づいて、短絡電流ベクトル算出部１４が２回目の短絡電流ベクトルの角度を求める。そして、速度推定部１６が、短絡電流ベクトル算出部１４によって求められた１回目の短絡電流ベクトルと２回目の短絡電流ベクトルとの位相差θ_Ｉ２−θ_Ｉ１と、短絡時間Ｔと、短絡間隔時間τとに基づいて、式（７）から、電動機Ｍの回転速度を推定する。

次に、だ行回転速度推定装置１０によるだ行回転速度の推定方法を用いて、鉄道車両駆動用のＰＭＳＭをだ行状態から再起動した場合のシミュレーション結果について説明する。

図５は鉄道車両が低速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果である。具体的には走行速度が２０ｋｍ／ｈ（機械回転数１０００ｒ／ｍｉｎ、電気角周波数３３Ｈｚ）の時のシミュレーション結果であり、同図（ａ）がｄｑ軸それぞれの電流のシミュレーション結果、同図（ｂ）が電気角速度のシミュレーション結果である。

図６は鉄道車両が中速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果である。具体的には走行速度が６０ｋｍ／ｈ（機械回転数３０００ｒ／ｍｉｎ、電気角周波数１００Ｈｚ）の時のシミュレーション結果であり、同図（ａ）がｄｑ軸それぞれの電流のシミュレーション結果、同図（ｂ）が電気角速度のシミュレーション結果である。

図７は鉄道車両が高速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果である。具体的には走行速度が１３０ｋｍ／ｈ（機械回転数６０００ｒ／ｍｉｎ、電気角周波数１９０Ｈｚ）の時のシミュレーション結果であり、同図（ａ）がｄｑ軸それぞれの電流のシミュレーション結果、同図（ｂ）が電気角速度のシミュレーション結果である。

図５〜７何れの場合も、０．１秒の時点でＰＭＳＭの再起動制御を開始しており、０．１秒時点の推定角速度が、本実施形態の推定方法によって推定された角速度である。低速域、中速域、高速域の何れの速度域においても高精度に速度（角速度）が推定されており、円滑に再起動制御が開始されていることが分かる。

以上、実施形態を説明したが、本発明が適用可能な形態は上述した実施の形態に限られるものではない。例えば、電気車の１つである電気自動車を駆動するＰＭＳＭのだ行回転速度の推定に適用してもよい。

また、上述した実施の形態においては、短絡回数を２回としたが、３回とし、短絡間隔時間τに制約を設けないこととしてもよい。以下に具体的に説明する。なお、上述の実施形態の方式を「２回短絡方式」、以下説明する方式を「３回短絡方式」という。

２回短絡方式においては、上述した通り、１回目の短絡終了から２回目の短絡開始までの短絡間隔時間τは、短絡電流が“０”に減衰するまでの時間以上で且つ、最高回転速度において電動機Ｍが半回転する時間よりも短い時間である必要がある。

しかし、鉄道車両駆動では短絡電流が“０”に減衰するまでの間に、短絡電流ベクトルの位相差θ_Ｉ２−θ_Ｉ１がπ以上となることが考えられる。３回短絡方式は短絡間隔時間τに制限の無い方式である。

３回短絡方式は、１回目の短絡と２回目の短絡の間隔である“１回目”の短絡間隔時間τ_１２と、２回目の短絡と３回目の短絡の間隔である“２回目”の短絡間隔時間τ_２３とに差τ_α（＝τ_２３−τ_１２）を設けることにより、τ_αの間にどれだけ短絡電流ベクトルの位置（角度）が変化するかを読み取り回転子速度を推定する方式である。

図８は、１回目の短絡時における固定子三相軸上の短絡電流ベクトルｉ_１（Ｔ）の例を示す図であり、図９は、２回目の短絡時における固定子三相軸上の短絡電流ベクトルｉ_２（Ｔ）の例を示す図である。１回目の短絡間隔時間τ_１２は十分大きな値となっており、１回目の短絡から２回目の短絡までの間に、電動機Ｍの回転子は正方向又は負方向に数回転し、２回目の短絡時における短絡電流ベクトルが図９の位置であったとする。このとき、１回目と２回目の短絡電流ベクトルの相対的な位相差は図９に示すように、θ_Ｉ２−θ_Ｉ１である。

次回の３回目の短絡について、２回目の短絡から３回目の短絡までの短絡間隔時間τ_２３が、仮に１回目の短絡間隔時間τ_１２と同じだった場合を考える。このとき、３回目の短絡時における短絡電流ベクトルｉ_３´（Ｔ）は図１０のようになる。

即ち、１回目の短絡からτ_１２秒待って（θ_Ｉ２−θ_Ｉ１）進んだ位置に２回目の短絡電流ベクトルｉ_２（Ｔ）があるので、τ_１２と同じ時間待った場合、３回目の短絡電流ベクトルｉ_３´（Ｔ）は２回目の短絡電流ベクトルｉ_２（Ｔ）から位相（θ_Ｉ２−θ_Ｉ１）だけ進んだ位置となる。

しかし、３回短絡方式は、τ_２３＝τ_１２＋τ_αである。即ち、３回目の短絡電流ベクトルｉ_３（Ｔ）は、正方向への回転だった場合には例えば図１１のように、負方向への回転だった場合には例えば図１２のように、τ_α時間における位相差であるθ_α分、短絡電流ベクトルｉ_３´（Ｔ）から位相が変化することとなる。この原理を利用して、回転子速度を推定できる。

具体的には、次式（８）のように速度推定を行う。この３回短絡方式によれば、速度の正負の判定も可能である。

なお、τ_αは、最高回転速度において電動機Ｍの回転子が半回転する時間よりも短い時間として予め設定する必要がある。２回短絡方式と同様、τ_α秒で回転子が半回転以上回転すると回転の正負が判定できず、正確な速度推定ができないためである。

但し、３回短絡方式では、２回短絡方式と異なり、短絡間隔時間そのものについては任意に設定可能である。

以上の３回短絡方式を図１に示しただ行回転速度推定装置１０によって実現する場合の制御動作は次のようになる。すなわち、先ず、短絡制御部１２が、電動機Ｍの各相端子を短絡時間Ｔの間短絡させる。これが１回目の短絡である。この１回目の短絡の間に電流センサ５０によって検出された電流に基づいて、短絡電流ベクトル算出部１４が１回目の短絡電流ベクトルの角度を求める。

次いで、１回目の短絡から短絡間隔時間τ_１２が経過して後、短絡制御部１２が、２回目の短絡制御を行う。そして、電流センサ５０によって検出される２回目の短絡電流に基づいて、短絡電流ベクトル算出部１４が２回目の短絡電流ベクトルの角度を求める。

そして、２回目の短絡から短絡間隔時間τ_２３（＝τ_１２＋τ_α）が経過して後、短絡制御部１２が、３回目の短絡制御を行う。そして、電流センサ５０によって検出される３回目の短絡電流に基づいて、短絡電流ベクトル算出部１４が３回目の短絡電流ベクトルの角度を求める。

そして、速度推定部１６が、短絡電流ベクトル算出部１４によって求められた１〜３回目の短絡電流ベクトルの角度（固定子軸における位置或いは方向）と、短絡時間Ｔと、短絡間隔時間の差τ_αとに基づいて、式（８）から、電動機Ｍの回転速度を推定する。

電車の主回路構成の概略ブロック図。 １回目短絡時の固定子三相軸上の短絡電流ベクトルの一例を示す図。 １回目短絡終了後、τ秒経過した後の短絡電流ベクトルの一例を示す図。 短絡電流ベクトルの角度の算出方法を示す図。 鉄道車両が低速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果。 鉄道車両が中速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果。 鉄道車両が高速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果。 ３回短絡方式において、１回目の短絡時における固定子三相軸上の短絡電流ベクトルｉ_１（Ｔ）の一例を示す図。 ３回短絡方式において、２回目の短絡時における固定子三相軸上の短絡電流ベクトルｉ_２（Ｔ）の一例を示す図。 ３回短絡方式において、２回目の短絡間隔時間τ_２３が１回目の短絡間隔時間τ_１２と同じだった場合の３回目の短絡時における短絡電流ベクトルの一例を示す図。 ３回短絡方式において、３回目の短絡電流ベクトルが正方向への回転だった場合の一例を示す図。 ３回短絡方式において、３回目の短絡電流ベクトルが負方向への回転だった場合の一例を示す図。 従来の推定方式による電流ベクトルを説明するための図。 従来の推定方式を用いて鉄道車両が低速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果。 従来の推定方式を用いて鉄道車両が中速域でだ行走行している状態でＰＭＳＭを再起動した場合のシミュレーション結果。

符号の説明

１ 電動機制御装置
１０ だ行回転速度推定装置
１２ 短絡制御部
１４ 短絡電流ベクトル算出部
１６ 速度推定部
３０ ベクトル制御演算装置
４０ インバータ
５０ 電流センサ
Ｍ 永久磁石同期電動機

Claims (2)

1. 所定の最高回転速度である車両駆動用の永久磁石同期電動機のだ行回転速度推定装置であって、
   前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡させる制御を行う第１の短絡制御手段と、
   所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出手段と、
   前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より短い時間として予め定められた所定の間隔時間が、前記第１の短絡制御手段による短絡制御から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡させる制御を行う第２の短絡制御手段と、
   前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡制御手段による短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出手段と、
   前記第１及び第２の角度算出手段により求められたそれぞれの角度の差を、前記間隔時間に前記短絡時間を加えた時間で除算することで前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、
   を備えるだ行回転速度推定装置。
2. 所定の最高回転速度である車両駆動用の永久磁石同期電動機のだ行回転速度を推定するだ行回転速度推定方法であって、
   前記電動機の各相端子を所定の短絡時間の間短絡する第１の短絡ステップと、
   所定の電流検出手段によって検出される前記第１の短絡ステップにおける短絡時の短絡電流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第１の角度算出ステップと、
   前記最高回転速度による前記電動機の半回転時間より短い時間として予め定められた所定の間隔時間が、前記第１の短絡ステップにおける短絡から経過した後、前記電動機の各相端子を前記短絡時間と同一時間の間短絡する第２の短絡ステップと、
   前記電流検出手段によって検出される前記第２の短絡ステップにおける短絡時の短絡電
   流に基づいて、所定座標系における当該短絡電流の電流ベクトルの角度を求める第２の角度算出ステップと、
   前記第１及び第２の角度算出ステップにおいて求められたそれぞれの角度の差を、前記間隔時間に前記短絡時間を加えた時間で除算することで前記電動機の回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
   を含むだ行回転速度推定方法。