電気車制御装置
【課題】インバータ周波数で発生するトルクリップルに起因する騒音を抑制する。
【解決手段】実施形態に係る制御装置は、電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部１１と、ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部１２と、前記電流制御部１２からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部１３と、前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するオフ時間演算部１６と、前記ノッチ指令０が入力された時から、前記オフ時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部１４とを具備する。
【解決手段】実施形態に係る制御装置は、電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部１１と、ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部１２と、前記電流制御部１２からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部１３と、前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するオフ時間演算部１６と、前記ノッチ指令０が入力された時から、前記オフ時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部１４とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の主電動機を駆動するインバータ等の電力変換装置のトルク制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）は、従来の電気車制御装置の構成を示すブロック図であって、特にインバータゲート指令をオフする制御を行うための構成を示している。
【０００３】
電気車制御用の可変電圧可変周波数インバータ（以下ＶＶＶＦインバータ）において、加速中に運転台からＶＶＶＦインバータ出力オフ指令、すなわちノッチ指令０が入力された場合、乗り心地を向上させる目的で、ＶＶＶＦインバータのトルク電流を徐々に低下させる手法が一般に採用されている。このノッチ指令０は、車両を惰性走行させるための指令である。
【０００４】
ＶＶＶＦインバータのトルク電流を徐々に低下させる方法としては第１に、車速すなわちモータ回転速度（以下単に速度という）に係わらず、一定の時間内にＶＶＶＦインバータの出力電流を絞り込む方法がある。この方法の場合、車速が比較的低い場合はゆっくりと加速度を低下させ、高い場合は比較的急激に加速度を低下するので、乗り心地に問題が生じる。
【０００５】
第２の方法として、乗り心地を改善させるため、ＶＶＶＦインバータの出力トルクを低下させる比率を一定（前後振動加速度度を一定）にする方法がある。図５（ａ）は、この第２の方法を実現するための制御装置の構成を示すブロック図である。
【０００６】
図５（ａ）において、電流演算部１１は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。ジャーク制御部１２は、電流指令値の立ち上がり及び立ち下がりのタイミング及び傾きを制御する電流制御部である。特にジャーク制御部１２は、ノッチ指令０が入力された時、電流指令値を一定の減少率（傾きｄｉ／ｄｔ）で減少させる。ベクトル制御部１３は、ジャーク制御部１２からの電流指令値及び他の情報に基づいてベクトル制御し、インバータのゲート指令を生成する。このゲート指令は、主電動機（本例では誘導電動機）を駆動するＶＶＶＦインバータへ、出力スイッチ１５を介して提供される。オフタイマ１４は、ノッチ指令０が入力されてから所定時間後、出力スイッチ１５をオフとし、これによりインバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の全ゲート指令が０に設定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５（ｂ）、５（ｃ）は、図５（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【０００８】
先ず０以外のノッチ指令が入力されると、最初は励磁電流が流れ、モータ回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置はベクトル制御部１５にて用いられ、トルク電流分を含む指令値に対応するゲート指令が生成されることで、モータにトルク電流が流れ車両が停止から加速し始める。その後、加速中にノッチ指令０が入力されると、オフタイマ１４の時間計測が開始されると共に、電流は一定の傾きで減少してゆく。
【０００９】
図５（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示している。図５（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００１０】
図５（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流まで減少してからオフされるまでの時間Ｔ１の間、励磁電流によりＶＶＶＦインバータの動作が継続することになる。このとき、電流フィードバック制御のため、各インバータ出力相の電流検出器の感度バラつき等により、インバータ周波数成分のトルクリップルが微小に存在する。例えばインバータＵ相の電流検出器の感度が他の相に比べて低い場合、Ｕ相には他の相より大きな電流が流れ、モータにはトルクリップルが発生する。
【００１１】
図６はモータ駆動系の構造を示す図である。
【００１２】
車両駆動用のモータ（主電動機）２０は、モータ駆動軸より継手を介して、車輪２２を駆動するためギアボックス２１を経由し、車輪２２へ回転力を伝達する。この構造で、ＶＶＶＦインバータ出力として、励磁電流による出力ゼロ付近でのインバータ周波数のトルクリップルが生じた場合、駆動ギア２３と被駆動ギア２４の遊び分のチャタリング(chattering)が発生し、騒音の原因となる。
【００１３】
従って本発明は、インバータ周波数で発生するトルクリップルに起因する騒音を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態に係る制御装置は、電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部１１と、ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部１２と、前記電流制御部１２からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部１３と、前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するオフ時間演算部１６と、前記ノッチ指令０が入力された時から、前記オフ時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部１４とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、第１実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図２】（ａ）は、第２実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図３】（ａ）は、第３実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図４】（ａ）は、第４実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）は、インバータゲート指令をオフする制御を行う従来の電気車制御装置の構成を示し、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図６】モータ駆動系の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態に係る電気車制御装置について、図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１実施形態］
図１（ａ）は、第１実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。この電気車制御装置は、運転台からノッチ指令を入力し、ノッチ指令に対応するトルクを発生するためゲート信号を生成し、主電動機を駆動するインバータに該信号を出力する。
【００１８】
電流演算部１１は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度（車速またはモータ回転速度）に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。また電流演算部１１は一例として、５段階（ノッチ指令１〜５）のノッチ指令値を入力し、電流演算部１１のブロック内に示されるように、ノッチ指令値をパラメータとする速度／電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度／電流特性は、運転士の手動操作で運転する時の一般的な特性である。尚、ノッチ指令０はインバータを構成するスイッチング素子を全てオフさせるための指令である。
【００１９】
ゲートオフ時間演算部１６は、電流演算部１１の出力電流指令値を所定の傾きｄｉ／ｄｔで除算することで、ゲートオフ時間Timeを演算する。従って、電流指令値が大きいほど、ゲートオフ時間Timeは大きな値となる。ここで、傾きｄｉ／ｄｔは、ノッチ指令０の入力後にインバータ出力電流を減少させる時の電流（加速度）減少率を示し、乗り心地等から決定される一定値である。
【００２０】
オフタイマ１４は、ノッチ指令値が０に立ち下がった時に時間計測を開始し、Ｔ端子に入力されるゲートオフ時間Timeが経過すると、Ｑ端子に時間計測終了を示す信号（例えば論理１）を出力する時間計測部である。この信号に応じて出力スイッチ１５はオフされ、インバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の全ゲート指令が０に設定される。
【００２１】
ジャーク制御部１２及びベクトル制御部１３の動作は図５で前述した通りである。
【００２２】
図１（ｂ）、１（ｃ）は、図１（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００２３】
先ず０以外のノッチ指令が入力されると前述したように、最初は励磁電流Ｉｍがモータの固定子に流れ、回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置、電流指令値及び速度等に基づいて、ベクトル制御部１５はゲート指令を生成し、モータにトルク電流が流れ車両が発進する。
【００２４】
その後、ノッチ指令０が入力されると、オフタイマ１４はゲートオフ時間演算部から提供されていたゲートオフ時間をラッチすると共に、例えばその値のカウントダウンを行い時間計測を開始する。このときジャーク制御部１２は出力電流指令値を、ノッチ指令０の入力直前の値から所定の傾きｄｉ／ｄｔで減少させてゆく。ベクトル演算部１３は、減少する電流指令値に対応するゲート指令を生成し、出力スイッチ１５を介してＶＶＶＦインバータに提供する。この結果、車両の加速度は徐々に減少される。
【００２５】
図１（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少した場合を示し、図１（ｃ）は最大値の１／２の電流から励磁電流まで減少した場合を示す。何れの場合でも、インバータの電流が励磁電流まで減少すると、オフタイマ１４の時間計測は完了し、出力スイッチ１５がオフされ、全てのゲート指令がオフに設定される。
【００２６】
従って、従来の図５（ｃ）のように、ノッチ指令０を入力して電流値が減少した後、モータが励磁電流で動作することが無いので、インバータ周波数成分のトルクリップルが発生せず、モータ駆動系のギアのチャタリングは大幅に低減される。
【００２７】
尚、本実施形態では、ゲートオフ時間Timeは電流指令値に基づいて算出したが、電流指令値の代わりにインバータに流れている実際の電流値あるいはその平均値に基づいて算出しても良い。
【００２８】
［第２実施形態］
図２（ａ）は、第２実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２９】
第２実施形態の構成は、図１（ａ）の第１実施形態に比べ、電流演算部１１及びゲートオフ時間演算部１６の構成が異なっている。本例でも電流演算部１１は、一例として５段階のノッチ指令値を入力し、図２（ａ）に示される速度／電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度／電流特性は、自動定速度運転に適した特性であって、出力電流指令値は全速度域において、ノッチ指令値毎に異なっている。すなわち出力電流指令値（トルク電流分）はノッチ指令値に実質的に比例している。運転士が走行中に自動定速度運転を選択すると、図２（ａ）に示されるような速度／電流特性が適用され、速度が一定に保たれる。尚、この速度／電流特性は、図１の速度／電流特性と好適に併用される。
【００３０】
ゲートオフ時間演算部１６は、例えばノッチ指令値を常に所定時間記憶し、ノッチ指令０が入力されると、直前のノッチ指令値を読出す。またゲートオフ時間演算部１６は、読み出したノッチ指令値を所定の傾きｄｉ／ｄｔで除算し、更に係数Ｋを乗算することで、ゲートオフ時間Timeを算出する。このようにゲートオフ時間は、図２に示すようなノッチ指令値に対する速度／電流特性に応じて、ノッチ指令値そのものを使用して好適に演算できる。
【００３１】
図２（ｂ）、２（ｃ）は、図２（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートであるが、図１（ｂ）、１（ｃ）の第１実施形態と同様であるから、詳細な説明は割愛する。
【００３２】
［第３実施形態］
図３（ａ）は、第３実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３３】
第３実施形態の構成は、図５（ａ）の従来構成に比べ、ジャーク制御部１２とベクトル制御部１３の間に、電流指令補正部１７ａが追加されている。
【００３４】
電流指令補正部１７ａは、ノッチ指令０が入力され、電流指令値が一定の傾きｄｉ／ｄｔで減少し、励磁電流値よりＬだけ大きな値まで減少すると、その値を保持する。出力スイッチ１５はオフタイマ１４の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令０が入力されてから一定時間Tco後オフされる。
【００３５】
図３（ｂ）、３（ｃ）は、図３（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００３６】
図３（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図５（ｂ）と同様である。図３（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００３７】
図３（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流＋Ｌの値まで減少すると、電流指令補正部１７ａの動作により、その値が維持される。この電流指令補正制御により、モータは僅かなプラス方向のトルクを発生する。この状態を図６のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア２４が回転方向Ａに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部１７ａの働きにより、駆動ギア２３には回転方向Ｂのトルクが僅かに発生している。この結果、ギア２３と２４間のギャップＣは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
【００３８】
［第４実施形態］
図４（ａ）は、第４実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３９】
第４実施形態の構成は、図５（ａ）の従来構成に比べ、ジャーク制御部１２とベクトル制御部１３の間に、電流指令補正部１７ｂが追加されている。
【００４０】
電流指令補正部１７ｂは、ノッチ指令０が入力され、電流指令値が一定の傾きｄｉ／ｄｔで減少し、励磁電流値まで減少すると、マイナスの補正値を重畳し、その値を保持する。出力スイッチ１５はオフタイマ１４の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令０が入力されてから一定時間後オフされる。
【００４１】
図４（ｂ）、４（ｃ）は、図４（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００４２】
図４（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図５（ｂ）と同様である。図４（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００４３】
図４（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流値まで減少すると、電流指令補正部１７ｂの動作により、マイナスの補正値（−Ｌ）が電流に重畳される。この電流指令補正制御により、モータには僅かなマイナス方向のトルクが発生する。この状態を図６のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア２３が回転方向Ａに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部１７ｂの働きにより、駆動ギア２３には回転方向Ｂとは逆方向のトルクが僅かに発生する。この結果、ギア２３と２４間のギャップＤは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
【００４４】
以上説明したように上記実施形態によれば、ＶＶＶＦインバータの出力ゼロ付近でインバータ周波数のトルクリップルが生じることを回避し、ギアの遊び分のチャタリングによる騒音発生を防ぐことが可能となる。
【００４５】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、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せにより種々の発明を構成できる。
【符号の説明】
【００４６】
１１…電流演算部、１２…ジャーク制御部、１３…ベクトル制御部、１４…オフタイマ、１５…出力スイッチ、１６…ゲートオフ時間演算部、１７…電流指令補正部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の主電動機を駆動するインバータ等の電力変換装置のトルク制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）は、従来の電気車制御装置の構成を示すブロック図であって、特にインバータゲート指令をオフする制御を行うための構成を示している。
【０００３】
電気車制御用の可変電圧可変周波数インバータ（以下ＶＶＶＦインバータ）において、加速中に運転台からＶＶＶＦインバータ出力オフ指令、すなわちノッチ指令０が入力された場合、乗り心地を向上させる目的で、ＶＶＶＦインバータのトルク電流を徐々に低下させる手法が一般に採用されている。このノッチ指令０は、車両を惰性走行させるための指令である。
【０００４】
ＶＶＶＦインバータのトルク電流を徐々に低下させる方法としては第１に、車速すなわちモータ回転速度（以下単に速度という）に係わらず、一定の時間内にＶＶＶＦインバータの出力電流を絞り込む方法がある。この方法の場合、車速が比較的低い場合はゆっくりと加速度を低下させ、高い場合は比較的急激に加速度を低下するので、乗り心地に問題が生じる。
【０００５】
第２の方法として、乗り心地を改善させるため、ＶＶＶＦインバータの出力トルクを低下させる比率を一定（前後振動加速度度を一定）にする方法がある。図５（ａ）は、この第２の方法を実現するための制御装置の構成を示すブロック図である。
【０００６】
図５（ａ）において、電流演算部１１は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。ジャーク制御部１２は、電流指令値の立ち上がり及び立ち下がりのタイミング及び傾きを制御する電流制御部である。特にジャーク制御部１２は、ノッチ指令０が入力された時、電流指令値を一定の減少率（傾きｄｉ／ｄｔ）で減少させる。ベクトル制御部１３は、ジャーク制御部１２からの電流指令値及び他の情報に基づいてベクトル制御し、インバータのゲート指令を生成する。このゲート指令は、主電動機（本例では誘導電動機）を駆動するＶＶＶＦインバータへ、出力スイッチ１５を介して提供される。オフタイマ１４は、ノッチ指令０が入力されてから所定時間後、出力スイッチ１５をオフとし、これによりインバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の全ゲート指令が０に設定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５（ｂ）、５（ｃ）は、図５（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【０００８】
先ず０以外のノッチ指令が入力されると、最初は励磁電流が流れ、モータ回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置はベクトル制御部１５にて用いられ、トルク電流分を含む指令値に対応するゲート指令が生成されることで、モータにトルク電流が流れ車両が停止から加速し始める。その後、加速中にノッチ指令０が入力されると、オフタイマ１４の時間計測が開始されると共に、電流は一定の傾きで減少してゆく。
【０００９】
図５（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示している。図５（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００１０】
図５（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流まで減少してからオフされるまでの時間Ｔ１の間、励磁電流によりＶＶＶＦインバータの動作が継続することになる。このとき、電流フィードバック制御のため、各インバータ出力相の電流検出器の感度バラつき等により、インバータ周波数成分のトルクリップルが微小に存在する。例えばインバータＵ相の電流検出器の感度が他の相に比べて低い場合、Ｕ相には他の相より大きな電流が流れ、モータにはトルクリップルが発生する。
【００１１】
図６はモータ駆動系の構造を示す図である。
【００１２】
車両駆動用のモータ（主電動機）２０は、モータ駆動軸より継手を介して、車輪２２を駆動するためギアボックス２１を経由し、車輪２２へ回転力を伝達する。この構造で、ＶＶＶＦインバータ出力として、励磁電流による出力ゼロ付近でのインバータ周波数のトルクリップルが生じた場合、駆動ギア２３と被駆動ギア２４の遊び分のチャタリング(chattering)が発生し、騒音の原因となる。
【００１３】
従って本発明は、インバータ周波数で発生するトルクリップルに起因する騒音を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態に係る制御装置は、電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部１１と、ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部１２と、前記電流制御部１２からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部１３と、前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するオフ時間演算部１６と、前記ノッチ指令０が入力された時から、前記オフ時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部１４とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、第１実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図２】（ａ）は、第２実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図３】（ａ）は、第３実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図４】（ａ）は、第４実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）は、インバータゲート指令をオフする制御を行う従来の電気車制御装置の構成を示し、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【図６】モータ駆動系の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態に係る電気車制御装置について、図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１実施形態］
図１（ａ）は、第１実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。この電気車制御装置は、運転台からノッチ指令を入力し、ノッチ指令に対応するトルクを発生するためゲート信号を生成し、主電動機を駆動するインバータに該信号を出力する。
【００１８】
電流演算部１１は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度（車速またはモータ回転速度）に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。また電流演算部１１は一例として、５段階（ノッチ指令１〜５）のノッチ指令値を入力し、電流演算部１１のブロック内に示されるように、ノッチ指令値をパラメータとする速度／電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度／電流特性は、運転士の手動操作で運転する時の一般的な特性である。尚、ノッチ指令０はインバータを構成するスイッチング素子を全てオフさせるための指令である。
【００１９】
ゲートオフ時間演算部１６は、電流演算部１１の出力電流指令値を所定の傾きｄｉ／ｄｔで除算することで、ゲートオフ時間Timeを演算する。従って、電流指令値が大きいほど、ゲートオフ時間Timeは大きな値となる。ここで、傾きｄｉ／ｄｔは、ノッチ指令０の入力後にインバータ出力電流を減少させる時の電流（加速度）減少率を示し、乗り心地等から決定される一定値である。
【００２０】
オフタイマ１４は、ノッチ指令値が０に立ち下がった時に時間計測を開始し、Ｔ端子に入力されるゲートオフ時間Timeが経過すると、Ｑ端子に時間計測終了を示す信号（例えば論理１）を出力する時間計測部である。この信号に応じて出力スイッチ１５はオフされ、インバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の全ゲート指令が０に設定される。
【００２１】
ジャーク制御部１２及びベクトル制御部１３の動作は図５で前述した通りである。
【００２２】
図１（ｂ）、１（ｃ）は、図１（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００２３】
先ず０以外のノッチ指令が入力されると前述したように、最初は励磁電流Ｉｍがモータの固定子に流れ、回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置、電流指令値及び速度等に基づいて、ベクトル制御部１５はゲート指令を生成し、モータにトルク電流が流れ車両が発進する。
【００２４】
その後、ノッチ指令０が入力されると、オフタイマ１４はゲートオフ時間演算部から提供されていたゲートオフ時間をラッチすると共に、例えばその値のカウントダウンを行い時間計測を開始する。このときジャーク制御部１２は出力電流指令値を、ノッチ指令０の入力直前の値から所定の傾きｄｉ／ｄｔで減少させてゆく。ベクトル演算部１３は、減少する電流指令値に対応するゲート指令を生成し、出力スイッチ１５を介してＶＶＶＦインバータに提供する。この結果、車両の加速度は徐々に減少される。
【００２５】
図１（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少した場合を示し、図１（ｃ）は最大値の１／２の電流から励磁電流まで減少した場合を示す。何れの場合でも、インバータの電流が励磁電流まで減少すると、オフタイマ１４の時間計測は完了し、出力スイッチ１５がオフされ、全てのゲート指令がオフに設定される。
【００２６】
従って、従来の図５（ｃ）のように、ノッチ指令０を入力して電流値が減少した後、モータが励磁電流で動作することが無いので、インバータ周波数成分のトルクリップルが発生せず、モータ駆動系のギアのチャタリングは大幅に低減される。
【００２７】
尚、本実施形態では、ゲートオフ時間Timeは電流指令値に基づいて算出したが、電流指令値の代わりにインバータに流れている実際の電流値あるいはその平均値に基づいて算出しても良い。
【００２８】
［第２実施形態］
図２（ａ）は、第２実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２９】
第２実施形態の構成は、図１（ａ）の第１実施形態に比べ、電流演算部１１及びゲートオフ時間演算部１６の構成が異なっている。本例でも電流演算部１１は、一例として５段階のノッチ指令値を入力し、図２（ａ）に示される速度／電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度／電流特性は、自動定速度運転に適した特性であって、出力電流指令値は全速度域において、ノッチ指令値毎に異なっている。すなわち出力電流指令値（トルク電流分）はノッチ指令値に実質的に比例している。運転士が走行中に自動定速度運転を選択すると、図２（ａ）に示されるような速度／電流特性が適用され、速度が一定に保たれる。尚、この速度／電流特性は、図１の速度／電流特性と好適に併用される。
【００３０】
ゲートオフ時間演算部１６は、例えばノッチ指令値を常に所定時間記憶し、ノッチ指令０が入力されると、直前のノッチ指令値を読出す。またゲートオフ時間演算部１６は、読み出したノッチ指令値を所定の傾きｄｉ／ｄｔで除算し、更に係数Ｋを乗算することで、ゲートオフ時間Timeを算出する。このようにゲートオフ時間は、図２に示すようなノッチ指令値に対する速度／電流特性に応じて、ノッチ指令値そのものを使用して好適に演算できる。
【００３１】
図２（ｂ）、２（ｃ）は、図２（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートであるが、図１（ｂ）、１（ｃ）の第１実施形態と同様であるから、詳細な説明は割愛する。
【００３２】
［第３実施形態］
図３（ａ）は、第３実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３３】
第３実施形態の構成は、図５（ａ）の従来構成に比べ、ジャーク制御部１２とベクトル制御部１３の間に、電流指令補正部１７ａが追加されている。
【００３４】
電流指令補正部１７ａは、ノッチ指令０が入力され、電流指令値が一定の傾きｄｉ／ｄｔで減少し、励磁電流値よりＬだけ大きな値まで減少すると、その値を保持する。出力スイッチ１５はオフタイマ１４の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令０が入力されてから一定時間Tco後オフされる。
【００３５】
図３（ｂ）、３（ｃ）は、図３（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００３６】
図３（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図５（ｂ）と同様である。図３（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００３７】
図３（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流＋Ｌの値まで減少すると、電流指令補正部１７ａの動作により、その値が維持される。この電流指令補正制御により、モータは僅かなプラス方向のトルクを発生する。この状態を図６のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア２４が回転方向Ａに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部１７ａの働きにより、駆動ギア２３には回転方向Ｂのトルクが僅かに発生している。この結果、ギア２３と２４間のギャップＣは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
【００３８】
［第４実施形態］
図４（ａ）は、第４実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３９】
第４実施形態の構成は、図５（ａ）の従来構成に比べ、ジャーク制御部１２とベクトル制御部１３の間に、電流指令補正部１７ｂが追加されている。
【００４０】
電流指令補正部１７ｂは、ノッチ指令０が入力され、電流指令値が一定の傾きｄｉ／ｄｔで減少し、励磁電流値まで減少すると、マイナスの補正値を重畳し、その値を保持する。出力スイッチ１５はオフタイマ１４の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令０が入力されてから一定時間後オフされる。
【００４１】
図４（ｂ）、４（ｃ）は、図４（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。
【００４２】
図４（ｂ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図５（ｂ）と同様である。図４（ｃ）は、ノッチ指令０が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
【００４３】
図４（ｃ）の場合、インバータの電流が励磁電流値まで減少すると、電流指令補正部１７ｂの動作により、マイナスの補正値（−Ｌ）が電流に重畳される。この電流指令補正制御により、モータには僅かなマイナス方向のトルクが発生する。この状態を図６のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア２３が回転方向Ａに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部１７ｂの働きにより、駆動ギア２３には回転方向Ｂとは逆方向のトルクが僅かに発生する。この結果、ギア２３と２４間のギャップＤは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
【００４４】
以上説明したように上記実施形態によれば、ＶＶＶＦインバータの出力ゼロ付近でインバータ周波数のトルクリップルが生じることを回避し、ギアの遊び分のチャタリングによる騒音発生を防ぐことが可能となる。
【００４５】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、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せにより種々の発明を構成できる。
【符号の説明】
【００４６】
１１…電流演算部、１２…ジャーク制御部、１３…ベクトル制御部、１４…オフタイマ、１５…出力スイッチ、１６…ゲートオフ時間演算部、１７…電流指令補正部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部と、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部と、
前記電流制御部からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部
前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算する時間演算部と、
前記ノッチ指令０が入力された時から、前記時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部と、
を具備する制御装置。
【請求項２】
前記時間演算部は、前記第１電流指令または前記出力電流実際値が大きいほど、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を長く設定することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記電流演算部は、各ノッチ指令に対する電流／速度特性に従って、前記インバータの第１電流指令値を演算し、前記電流／速度特性は全速度域において各ノッチ指令固有の電流値を有し、前記電流値は同一速度においてノッチ指令値の大きさに比例していることを特徴とする請求項1記載の制御装置。
【請求項４】
前記時間演算部は、前記ノッチ指令０が入力される直前のノッチ指令に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を設定することを特徴とする請求項１又は３記載の制御装置。
【請求項５】
前記時間演算部は、前記ノッチ指令０が入力される直前のノッチ指令が大きいほど、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を長く設定することを特徴とする請求項４記載の制御装置。
【請求項６】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部と、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部と、
前記電流制御部からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部と、
前記ノッチ指令０が入力された時から所定時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部と、
前記電流制御部により、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値を微小トルクが発生する値に補正する電流指令補正部と、
を具備する制御装置。
【請求項７】
前記電流指令補正部は、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値をプラス側の微小トルクが発生する値に補正することを特徴とする請求項６記載の制御装置。
【請求項８】
前記電流指令補正部は、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値をマイナス側の微小トルクが発生する値に補正することを特徴とする請求項６記載の制御装置。
【請求項９】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する制御方法であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算するステップと、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供するステップと、
前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するステップと、
前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するステップと、
前記ノッチ指令０が入力された時から、前記演算されたオフするまでの時間の経過後、前記インバータへのゲート指令をオフするステップと、
を具備する制御方法。
【請求項１】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部と、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部と、
前記電流制御部からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部
前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算する時間演算部と、
前記ノッチ指令０が入力された時から、前記時間演算部にて演算された時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部と、
を具備する制御装置。
【請求項２】
前記時間演算部は、前記第１電流指令または前記出力電流実際値が大きいほど、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を長く設定することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記電流演算部は、各ノッチ指令に対する電流／速度特性に従って、前記インバータの第１電流指令値を演算し、前記電流／速度特性は全速度域において各ノッチ指令固有の電流値を有し、前記電流値は同一速度においてノッチ指令値の大きさに比例していることを特徴とする請求項1記載の制御装置。
【請求項４】
前記時間演算部は、前記ノッチ指令０が入力される直前のノッチ指令に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を設定することを特徴とする請求項１又は３記載の制御装置。
【請求項５】
前記時間演算部は、前記ノッチ指令０が入力される直前のノッチ指令が大きいほど、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を長く設定することを特徴とする請求項４記載の制御装置。
【請求項６】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する電気車制御装置であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算する電流演算部と、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供する電流制御部と、
前記電流制御部からの前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するベクトル制御部と、
前記ノッチ指令０が入力された時から所定時間経過後、前記インバータへのゲート指令をオフする時間計測部と、
前記電流制御部により、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値を微小トルクが発生する値に補正する電流指令補正部と、
を具備する制御装置。
【請求項７】
前記電流指令補正部は、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値をプラス側の微小トルクが発生する値に補正することを特徴とする請求項６記載の制御装置。
【請求項８】
前記電流指令補正部は、前記第２電流指令値が前記主電動機の励磁電流値付近まで減少した場合、前記第２電流指令値をマイナス側の微小トルクが発生する値に補正することを特徴とする請求項６記載の制御装置。
【請求項９】
電気車の主電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）を制御する制御方法であって、
運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、前記インバータの第１電流指令値を演算するステップと、
ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値を一定の傾きで減少させ、第２電流指令値を提供するステップと、
前記第２電流指令値に基づいて、インバータゲート指令を生成するステップと、
前記ノッチ指令０が入力された時、前記第１電流指令値又は前記インバータの出力電流実際値に基づいて、前記インバータへのゲート指令をオフするまでの時間を演算するステップと、
前記ノッチ指令０が入力された時から、前記演算されたオフするまでの時間の経過後、前記インバータへのゲート指令をオフするステップと、
を具備する制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４７６０４（Ｐ２０１２−１４７６０４Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０７２（Ｐ２０１１−５０７２）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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