JP2009240123A - 電動機制御方法及び電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空転滑走発生時のトルクのアンバランスを抑制するための新たな技術を提案すること。
【解決手段】主電動機信号切替部２２０は、現在の走行状態が力行であれば、進行方向最後方軸である第２軸を基準軸として、第２軸の電動機電流及び回転子角周波数をもとに磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する。現在の走行状態が制動であれば、主電動機信号切替部２００は、進行方向最前方軸である第１軸を基準軸として、第１軸の電動機電流及び回転子角周波数をもとに磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電ラインに並列接続された電気車を駆動するｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法等に関する。

電気車の電動機の制御として、給電ラインに並列接続された複数の電動機を一括してベクトル制御する技術が知られている。複数電動機の一括制御では、各電動機の回転子速度（回転子角周波数でもよい。）やインバータ出力電流のフィードバック値をもとに制御されるのが一般的であった。これは、粘着走行時（平常時）には、各電動機の回転子速度や流入電流はほぼ同じ値を取り、各電動機トルクはほぼ同値となるためである。

また、電動機が並列接続された給電ラインの給電電流（インバータ出力電流）は、各電動機の流入電流の合計でなる。従って、粘着走行時（平常時）においては、各電動機の電流は略均等であるが、空転／滑走時には各電動機の負荷がアンバランスになる。具体的に説明する。ベクトル制御においては、インバータ出力電流である給電電流すなわち総電流ベクトルＩを制御対象として、振幅（ベクトルＩの長さ）、及び磁束成分とトルク成分とが制御される。例えば１Ｃ２Ｍ制御であれば、２台の電動機に入力される電流ベクトルは、総電流ベクトルＩの約１／２ずつであり、磁束成分及びトルク成分の値はそれぞれの電動機間で略同値である。しかし、一方の電動機で空転又は滑走（以下包括的に「空転滑走」という。）が発生すると、その一方の電動機の負荷トルクが減少する。すると、減少した負荷トルク分のトルクを下げるように空転滑走した電動機のトルク成分電流が減少する。このトルク成分電流の減少分は、空転滑走していない電動機の増加分として配分される。総電流ベクトルＩが一定に制御されているためである。

この現象を放置した場合、空転滑走していない電動機に過度のトルクがかかり、空転滑走が誘発されて、全軸空転滑走に至る可能性がある。かかる問題は例えば特許文献１にも記載されている通りである。

そして、トルクのアンバランスに対応する制御としては例えば特許文献２に記載された技術が知られている。この特許文献２の技術は、インバータ出力電流（給電ラインの給電電流）をフィードバックし、トルクのアンバランスが発生した場合にはトルク指令を引き下げて、一括制御している全ての電動機のトルクを下げるものである。
特開２００２−１１２４０４号公報 特開平１０−８０１９０号公報

本発明は、空転滑走発生時のトルクのアンバランスを抑制するための新たな技術を提案するものであり、インバータ出力電流をフィードバックしてトルク指令を引き下げるという従来の制御技術とは全く異なる新たな適応的な制御を実現すべく考案されたものである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
力行時に、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う電動機制御方法である。

この第１の発明に対する他の発明として、
給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
前記進行方向最後方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
力行時に前記電流検出手段により検出された電流と前記角周波数検出手段により検出された角周波数とを用いて前記一括制御を行う力行時一括制御手段と、
を備えた電動機制御装置を構成することとしてもよい。

この第１の発明等によれば、力行時において、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流と回転子角周波数とを用いて、制御対象のｎ軸全ての電動機がベクトル制御により一括制御される。力行時には車両内及び台車内において軸重移動が生じる。力行時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象のｎ軸のうち、進行方向最後方の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、トルク成分電流が略同一である電動機間において、力行時には進行方向最後方の軸が最も空転しにくい状況にあると言える。そこで、力行時には、空転の可能性が最も低い進行方向最後方の軸を制御の基準として、制御対象のｎ軸全ての電動機を一括制御するものである。

仮に、進行方向最後方の軸以外の軸が空転したとしても、最後方の軸が粘着走行している限り、最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いた一括制御を継続しているため、最後方の軸のトルクが上昇して空転が誘発するというおそれもない。第１の発明等によれば、力行時の軸重移動を考慮した適応的且つ画期的な電動機一括制御を実現することができる。

第２の発明は、
給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
制動時に、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う電動機制御方法である。

この第２の発明に対する他の発明として、
給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
前記進行方向最前方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
制動時に前記電流検出手段により検出された電流と前記角周波数検出手段により検出された角周波数とを用いて前記一括制御を行う制動時一括制御手段と、
を備えた電動機制御装置を構成することとしてもよい。

この第２の発明等によれば、制動時において、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流と回転子角周波数とを用いて、制御対象のｎ軸全ての電動機がベクトル制御により一括制御される。制動時には車両内及び台車内において軸重移動が生じる。制動時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象のｎ軸のうち、進行方向最前方の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、トルク成分電流が略同一である電動機間において、制動時には進行方向最前方の軸が最も滑走しにくい状況にあると言える。そこで、制動時には、滑走の可能性が最も低い進行方向最前方の軸を制御の基準として、制御対象のｎ軸全ての電動機を一括制御するものである。

仮に、進行方向最前方の軸以外の軸が滑走したとしても、最前方の軸が粘着走行している限り、最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いた一括制御を継続しているため、最前方の軸のトルクが上昇して滑走が誘発するというおそれもない。第２の発明等によれば、制動時の軸重移動を考慮した適応的且つ画期的な電動機一括制御を実現することができる。

第３の発明は、
インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸以外の所定軸を空転監視軸として当該軸の空転発生を検出する空転検出ステップと、
力行時に、前記空転検出ステップによる検出がなされない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記空転検出ステップによる検出がなされた場合には、ｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う一括制御切替ステップと、
を含む電動機制御方法である。

この第３の発明に対する他の発明として、
インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
前記進行方向最後方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸以外の所定軸を空転監視軸として当該軸の空転発生を検出する空転検出手段と、
力行時に、前記空転検出手段による検出がなされていない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記空転検出手段による検出がなされた場合には、前記電流検出手段により検出された電動機電流及び前記角周波数検出手段により検出された角周波数を用いて前記一括制御を行う力行時一括制御手段と、
を備えた電動機制御装置を構成することとしてもよい。

この第３の発明等によれば、力行時において、空転が検出されていない場合には、制御対象のｎ軸それぞれの電動機電流又はインバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いた一括制御が行われる。この一括制御はいわば従来の制御と同様の制御と言える。そして、力行時において、空転が検出された場合には、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流と回転子角周波数とを用いて、制御対象のｎ軸全ての電動機がベクトル制御により一括制御される。

力行時には車両内及び台車内において軸重移動が生じる。力行時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象のｎ軸のうち、進行方向最後方の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、力行時には進行方向最後方の軸が最も空転しにくい状況にあると言える。そこで、力行時に進行方向最後方の軸以外の空転監視軸が空転した場合には、空転の可能性が最も低い進行方向最後方の軸を制御の基準として、制御対象のｎ軸全ての電動機を一括制御する。この第３の発明等によれば、力行時の軸重移動を考慮した適応的且つ画期的な電動機一括制御を実現することができる。

第４の発明は、
インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸以外の所定軸を滑走監視軸として当該軸の滑走発生を検出する滑走検出ステップと、
制動時に、前記滑走検出ステップによる検出がなされない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記滑走検出ステップによる検出がなされた場合には、ｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う一括制御切替ステップと、
を含む電動機制御方法である。

この第４の発明に対する他の発明として、
インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
前記進行方向最前方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸以外の所定軸を滑走監視軸として当該軸の滑走発生を検出する滑走検出手段と、
制動時に、前記滑走検出手段による検出がなされていない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記滑走検出手段による検出がなされた場合には、前記電流検出手段により検出された電動機電流及び前記角周波数検出手段により検出された角周波数を用いて前記一括制御を行う制動時一括制御手段と、
を備えた電動機制御装置を構成することとしてもよい。

この第４の発明等によれば、制動時において、滑走が検出されていない場合には、制御対象のｎ軸それぞれの電動機電流又はインバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いた一括制御が行われる。この一括制御はいわば従来の制御と同様の制御と言える。そして、制動時において、滑走が検出された場合には、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流と回転子角周波数とを用いて、制御対象のｎ軸全ての電動機がベクトル制御により一括制御される。

制動時には車両内及び台車内において軸重移動が生じる。制動時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象のｎ軸のうち、進行方向最前方の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、制動時には進行方向最前方の軸が最も滑走しにくい状況にあると言える。そこで、制動時に進行方向最前方の軸以外の滑走監視軸が滑走した場合には、滑走の可能性が最も低い進行方向最前方の軸を制御の基準として、制御対象のｎ軸全ての電動機を一括制御する。この第４の発明等によれば、制動時の軸重移動を考慮した適応的且つ画期的な電動機一括制御を実現することができる。

本発明によれば、軸重移動を考慮した適応的且つ画期的な電動機一括制御を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
本実施形態では、動輪２軸の台車を２台車備える電動車の電動機制御装置に本発明を適用した場合の実施形態について説明する。また、台車内の２軸分の電動機を１台の制御装置で制御するいわゆる１Ｃ２Ｍとし、各電動機を誘導機としてベクトル制御により制御することとして説明する。また、数式における変数及び係数の添え字の数字は、軸の番号（１〜２）を示し、軸の番号は進行方向側より１，２とする。

［第１実施形態］
図１は、電車の主回路の回路ブロックのうち、第１実施形態に関わる構成を概略的に示した図であり、台車内の２軸の電動機と、その２軸の電動機を制御する電動機制御装置を中心に示した図である。
図１によれば、第１実施形態に関わる電車の主回路としては、電動機制御装置１と、誘導機である電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２と、インバータ７０と、電流センサ８１，８２，８５と、速度センサ９１，９２とを備えて構成されている。

電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２は、インバータ７０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）であり、本実施形態では３相誘導機でなる。速度センサ９１，９２は、それぞれ電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２の回転速度（角周波数）ω_{ｒ_１},ω_{ｒ_２}を検出して出力する。電流センサ８５は、インバータ７０のＵ相及びＶ相の出力電流Ｉｕ，Ｉｖを検出し、電流センサ８１，８２は、それぞれ電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２のＵ相及びＶ相の流入電流Ｉ_{ｕ_１}，Ｉ_{ｖ_１}，Ｉ_{ｕ_２}，Ｉ_{ｖ_２}を検出して出力する。

インバータ７０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、ベクトル制御演算装置２０から入力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相それぞれの電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に基づいて出力電圧を調整し、電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２に給電する。

ベクトル制御演算装置２０を含む電動機制御装置１は、電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２をベクトル制御する。この電動機制御装置１は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータ等によって実現され、例えば制御ボードとして各種の制御装置の一部として実装されたり、或いはインバータ７０を含めて一体的にインバータ装置として構成される。また、電動機制御装置１は、ベクトル制御演算装置２０の他に、再粘着制御装置３０と、加減算部５０とを備えて構成されている。

再粘着制御装置３０は、公知の再粘着制御装置と同様の構成でなり、速度センサ９１，９２により検出された各電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２の回転速度（回転子角周波数でもよい。以下適宜、「回転速度」或いは「回転子角周波数」として説明するが、何れも同義に扱うことができる。）ω_{ｒ_１},ω_{ｒ_２}を基準速度（目標速度）ω_ｍと比較し、基準速度ω_ｍを所定値（例えば時速０．２ｋｍ相当値）以上超えた場合に空転滑走が発生したと検出して、ベクトル制御演算装置２０に入力されるトルク成分電流指令値Ｉ_ｑｒｅｆを引き下げて再粘着させる引き下げ指令Ｉ_{ｑ_Ｒ}を生成する。基準速度ω_ｍは電車の進行速度であり、例えば運転台から得られる速度信号や、Ｔ車の従軸の周速度から得ることとしてもよいし、車両内の各軸の周速度のうち、力行時であれば最小値、制動時であれば最大値等として決定してもよい。

また、再粘着制御装置３０の構成として、電流センサ８１，８２で検出された電動機流入電流のＵ相、Ｖ相の電流をｄ−ｑ軸座標に変換する座標変換部と、座標変換部により変換された電動機ＩＭ＿１と電動機ＩＭ＿２それぞれのトルク成分電流の差異に基づいて空転滑走を検知する空転滑走検知部と、空転滑走の検知に応じて引き下げ指令Ｉ_{ｑ_Ｒ}を生成する指令部とを有して構成することとしてもよい。

再粘着制御装置３０から出力された引き下げ指令Ｉ_{ｑ_Ｒ}は加減算部５０に入力され、ベクトル制御演算装置２０に入力されるトルク成分電流指令Ｉ_ｑｒｅｆを引き下げ指令Ｉ_{ｑ_Ｒ}による指令値分引き下げるよう作用する。

ベクトル制御演算装置２０は、電圧制御指令器２１０と、主電動機信号切替部２２０と、積分器２５０と、座標変換部２７０とを備えて構成される。電圧制御指令器２１０は、運転台のノッチ信号や制動（ブレーキ）指令信号をもとに電流指令パターンを参照して生成される磁束成分電流指令値Ｉ_ｄｒｅｆとトルク成分電流指令値Ｉ_ｑｒｅｆとを指令値として入力するとともに、主電動機信号切替部２２０から電動機回転子の角周波数ω_ｒ ^＊と磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とを制御対象の現在の状態を表す値として入力して、電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を演算してインバータ７０に出力する。この電圧制御指令器２１０の構成は従来の電圧制御指令器の構成と同様である。

また、電圧制御指令器２１０は、積分器２５０にインバータ角周波数ωを出力する。積分器２５０は、インバータ角周波数ωを積算することで回転磁界位置θ（磁束位相）を算出して座標変換部２７０に出力する。

座標変換部２７０は、インバータ出力のＵ相電流Ｉ_ｕ及びＶ相電流Ｉ_ｖそれぞれをインバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄとインバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑとに変換する座標変換器２７１と、第１軸の電動機ＩＭ＿１のＵ相電流Ｉ_{ｕ_１}及びＶ相電流Ｉ_{ｖ_１}それぞれを第１軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_１}と第１軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_１}とに変換する座標変換器２７２と、第２軸の電動機ＩＭ＿２のＵ相電流Ｉ_{ｕ_２}及びＶ相電流Ｉ_{ｖ_２}それぞれを第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}と第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}とに変換する座標変換器２７３とを備える。回転磁界位置θを用いてＵ相電流及びＶ相電流をｄ−ｑ軸座標へ変換する技術は公知であるため、詳細な説明は省略する。

主電動機信号切替部２２０は、座標変換部２７０からインバータ出力電流としてインバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄとインバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑとを入力し、第１軸の電動機電流として第１軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_１}と第１軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_１}とを入力し、第２軸の電動機電流として第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}と第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}とを入力する。また、主電動機信号切替部２２０は、速度センサ９１，９２により検出された第１軸及び第２軸それぞれの電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１},ω_{ｒ_２}を入力する。

一方、主電動機信号切替部２２０は、運転台等から入力されるノッチ指令及び制動指令をもとに、現在の走行状態が力行であるか制動であるかを判断する。そして、現在の走行状態に基づいて、入力された各種の電流値から、一括制御している電動機全体の現在の状態を表す値として、磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出して電圧制御指令器２１０に出力する。

図２に主電動機信号切替部２２０による算出原理を示す。主電動機信号切替部２２０は、現在の走行状態が力行であれば、進行方向最後方軸である第２軸を基準軸として、第２軸の電動機電流及び回転子角周波数をもとに磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する。具体的には、第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}の２倍を磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}の２倍をトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、第２軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_２}を回転子角周波数ω_ｒ ^＊とする。

また、現在の走行状態が制動であれば、主電動機信号切替部２００は、進行方向最前方軸である第１軸を基準軸として、第１軸の電動機電流及び回転子角周波数をもとに磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する。具体的には、第１軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_１}の２倍を磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、第１軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_１}の２倍をトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、第１軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１}を回転子角周波数ω_ｒ ^＊とする。

ここで、図３〜図５を参照して主電動機信号切替部２２０が磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する原理について詳細に説明する。

図３〜図５において、横軸は１次電流のｄ軸成分（励磁成分電流）、縦軸は１次電流のｑ軸成分（トルク成分電流）を表しており、Ｉ_{１_１}は第１軸の電動機ＩＭ＿１に流入される１次電流ベクトル、Ｉ_{１_２}は第２軸の電動機ＩＭ＿２に流入される１次電流ベクトル、Ｉ_１はフィードバック電流ベクトルであり、Φ_２は２次鎖交ベクトルであり、この２次鎖交ベクトルΦ_２がｄ軸と一致する様に座標設定されている。なお、フィードバック電流ベクトルＩ_１とは、磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊との和である。

図３は、第１軸及び第２軸ともに粘着走行している場合の電流ベクトルの挙動を模式的に示すもので、同図に示す様に、この場合には、１次電流ベクトルＩ_{１_１}と１次電流ベクトルＩ_{１_２}の振幅及び位相はそれぞれ等しい。

次に、図４は、電動機ＩＭ＿１によって駆動される車輪（第１軸）が空転した場合の従来制御による電流ベクトルの挙動を模式的に示す図である。第１軸が空転すると、１次電流ベクトルＩ_{１_１}の位相と振幅が変化する。然るに、従来制御では、１次電流ベクトルＩ_{１_１}と１次電流ベクトルＩ_{１_２}の和であるインバータ電流ベクトルをフィードバック電流ベクトルとしており、このフィードバック電流ベクトル（インバータ電流ベクトル）Ｉ_１の位相及び振幅が常に一定となる様に定電流制御されているので、第２軸の１次電流ベクトルＩ_{１_２}が、第１軸の１次電流ベクトルＩ_{１_１}の変化分をキャンセルする様に変化する。

その結果、粘着走行していた第２軸の電動機には、第１軸が空転する前に比べて図中一点鎖線の両端矢視線で示すトルク成分電流差ΔＩ_{１ｑ_２}が生じる。この結果、空転せず粘着走行していた第２軸の空転が誘発される可能性がある。

一方、本実施形態の主電動機信号切替部２２０によれば、力行時には、図５のような制御となる。図５は、電動機ＩＭ＿１によって駆動される車輪（第１軸）が空転した場合の本実施形態による電流ベクトルの挙動を模式的に示す図である。主電動機信号切替部２２０は、力行時は、第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}の２倍を磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}の２倍をトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とする。このときの第１軸の１次電流ベクトルＩ_{１_１}を一点鎖線で図示するが、この１次電流ベクトルＩ_{１_１}はフィードバック電流ベクトルＩ_１には影響しない。従来制御のような、第１軸及び第２軸の総電流ベクトルであるインバータ電流ベクトルをフィードバック電流ベクトルとしているわけではない。

また、力行時においては、車両内及び台車内において軸重移動が生じる。力行時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象の各軸のうち、進行方向最後方の軸の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、力行時には進行方向最後方の軸が最も空転しにくい状況にあると言える。そこで、力行時には、空転の可能性が最も低い進行方向最後方の軸を制御の基準として、制御対象の全ての軸の電動機を一括制御するのが本実施形態である。

仮に、進行方向最後方の軸以外の軸（本実施形態では第１軸）が空転したとしても、最後方の軸が粘着走行している限り、最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いた一括制御を継続しているため、最後方の軸のトルクが上昇して空転が誘発するというおそれもない。

制動時も同様である。すなわち、制動時の軸重移動によれば電動車車両内或いは台車内の制御対象の各軸のうち、進行方向最前方の軸の軸重が他の軸に比べて最も大きくなる。従って、制動時には進行方向最前方の軸が最も滑走しにくい状況にあると言える。そこで、制動時には、滑走の可能性が最も低い進行方向最前方の軸を制御の基準として、制御対象の全ての軸の電動機を一括制御するのが本実施形態である。

仮に、進行方向最前方の軸以外の軸（本実施形態では第２軸）が空転したとしても、最前方の軸が粘着走行している限り、最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いた一括制御を継続しているため、最前方の軸のトルクが上昇して空転が誘発するというおそれもない。

電流について説明したが、電動機角周波数ω_ｒ ^＊についても同様である。
以上の原理に基づき、主電動機信号切替部２２０が磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する。

次に、本実施形態の作用効果の確認のために行った力行時の空転に対するシミュレーション結果について説明する。
図６は、本実施形態の電動機制御装置１の制御による（ａ）各軸速度、（ｂ）各軸電流、（ｃ）各軸トルクの様子を説明するための図である。何れも“２秒”時点で第１軸が空転を開始した。なお、主電動機信号切替部２２０により算出された磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊との作用効果を明らかにするために、再粘着制御装置３０によるトルク指令の引き下げを行っていない。また、軸重移動の要素は考慮せずにシミュレーションを行った。

図６（ａ）〜図６（ｃ）から分かる通り、第１軸が空転開始した“２秒”以降も第２軸は粘着走行している。第２軸の電動機電流及び回転子角周波数が制御基準となっているため、第１軸の空転によって第２軸の電動機のトルク成分電流が上昇して連れ回りが発生する現象が生じることはない。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主電動機信号切替部２３０が、空転滑走を含めた走行状態に応じて、磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出する点で第１実施形態と異なる。以下説明において、第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図７に第２実施形態にかかる主回路構成を示す。構成的には第２実施形態の電動機制御装置２は、ベクトル制御演算装置２０が空転滑走検出部２４０を備え、主電動機信号切替部２２０の代わりに主電動機信号切替部２３０を備えた点で、第１実施形態の電動機制御装置１と異なる。

空転滑走検出部２４０は、速度センサ９１，９２により検出された各電動機ＩＭ＿１，ＩＭ＿２それぞれの回転速度ω_{ｒ_１},ω_{ｒ_２}を基準速度（目標速度）ω_ｍと比較する。そして、基準速度ω_ｍを所定値（例えば時速０．２ｋｍ相当値）以上超えたことをもって空転滑走が発生したことを検出する。第１軸の空転滑走の発生検出に応じて検出信号Ｓ_Ｋ１をＯＮとして主電動機信号切替部２３０に出力し、第２軸の空転滑走の発生検出に応じて検出信号Ｓ_Ｋ２をＯＮとして主電動機信号切替部２３０に出力する。

主電動機信号切替部２３０は、座標変換部２７０からインバータ出力電流としてインバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄとインバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑとを入力し、第１軸の電動機電流として第１軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_１}と第１軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_１}とを入力し、第２軸の電動機電流として第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}と第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}とを入力する。また、速度センサ９１，９２により検出された第１軸及び第２軸それぞれの電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１},ω_{ｒ_２}を入力する。以上の点は第１実施形態の主電動機信号切替部２２０と同様である。

また、主電動機信号切替部２３０は、運転台等から入力されるノッチ指令及び制動指令と、空転滑走検出部２４０から入力される検出信号Ｓ_Ｋ１，Ｓ_Ｋ２をもとに、現在の走行状態として、力行であるか制動であるのか、更に粘着走行中であるか空転滑走が発生した状況であるかを判断する。そして、現在の走行状態に基づいて、入力された各種の電流値及び回転子角周波数から、一括制御している電動機全体の現在の状態を表す値として、磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊とを算出して電圧制御指令器２１０に出力する。

図８に主電動機信号切替部２３０による算出原理を示す。主電動機信号切替部２３０は、現在の走行状態が力行であれば、まず、進行方向最後方軸以外の軸を監視軸とする。第２実施形態においては第１軸が監視軸である。この監視軸に対応する検出信号Ｓ_Ｋ１をもとに、監視軸が粘着走行中であるか空転しているかを判定する。そして、検出信号Ｓ_Ｋ１がＯＦＦの場合には粘着走行していると判定して、インバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄを磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、インバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑをトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、各軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１}，ω_{ｒ_２}の平均値を回転子角周波数ω_ｒ ^＊として算出する。すなわち、監視軸が粘着走行中は従来制御と同様の制御がなされることとなる。

一方、検出信号Ｓ_Ｋ１がＯＮの場合には監視軸に空転が発生したと判定し、進行方向最後方軸である第２軸を基準軸として、第２軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_２}の２倍を磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、第２軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_２}の２倍をトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、第２軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_２}を回転子角周波数ω_ｒ ^＊とする。すなわち、監視軸が空転した場合に第１実施形態と同様の制御がなされることとなる。

また、現在の走行状態が制動であれば、進行方向最前方軸以外の軸である第２軸を監視軸として、検出信号Ｓ_Ｋ２をもとに、監視軸が粘着走行中であるか滑走しているかを判定する。そして、検出信号Ｓ_Ｋ２がＯＦＦの場合には粘着走行していると判定して、インバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄを磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、インバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑをトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、各軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１}，ω_{ｒ_２}の平均値を回転子角周波数ω_ｒ ^＊として算出する。すなわち、監視軸が粘着走行中は従来制御と同様の制御がなされることとなる。

一方、検出信号Ｓ_Ｋ２がＯＮの場合には監視軸に滑走が発生したと判定し、進行方向最前方軸である第１軸を基準軸として、第１軸磁束成分電流Ｉ_{ｄ_１}の２倍を磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、第１軸トルク成分電流Ｉ_{ｑ_１}の２倍をトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、第１軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１}を回転子角周波数ω_ｒ ^＊とする。すなわち、監視軸が滑走した場合に第１実施形態と同様の制御がなされることとなる。

第２実施形態によれば、粘着走行中であれば力行及び制動の何れの走行状態であっても従来と同様のインバータ出力電流をフィードバック値とした制御を行い、空転滑走が発生したときに第１実施形態と同様の制御を行うこととなる。

次に、第２実施形態の作用効果の確認のために行った力行時の空転に対するシミュレーション結果について説明する。
図９は、第２実施形態の電動機制御装置２の制御による（ａ）各軸速度、（ｂ）各軸電流、（ｃ）各軸トルクの様子を説明するための図である。何れも“２秒”時点で第１軸が空転を開始し、“６秒”時点から主電動機信号切替部２３０による磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊と、トルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊と、電動機の回転子角周波数ω_ｒ ^＊との算出制御を開始した。また、“２秒”から“６秒”までは、インバータ出力磁束成分電流Ｉ_ｄを磁束成分電流フィードバック値Ｉ_ｄ ^＊とし、インバータ出力トルク成分電流Ｉ_ｑをトルク成分電流フィードバック値Ｉ_ｑ ^＊とし、各軸の電動機の回転子角周波数ω_{ｒ_１}，ω_{ｒ_２}の平均値を回転子角周波数ω_ｒ ^＊として電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を演算した。なお、再粘着制御装置３０によるトルク指令の引き下げは行っていない。また、軸重移動の要素は考慮せずにシミュレーションを行った。

図９（ａ）〜図９（ｃ）から分かる通り、第１軸が空転した“２秒”から“６秒”までのインバータ出力電流をフィードバック値とする従来制御の間は、第２軸は粘着走行しているものの、トルク成分電流及びトルクが増大しており、連れ回り（空転誘発）が発生し得る状態にある。しかし、本実施形態の制御を開始した“６秒”以降は第２軸の電動機のトルク成分電流及びトルクが、第１軸が空転発生する前の状態に戻っていることが分かる。

［変形例］
以上、２つの実施形態について説明したが、本発明が適用可能な形態は上述した実施形態に限られるものではない。例えば、１車両分の２台車の各軸を制御する１Ｃ４Ｍ制御に適用してもよい。

この場合、進行方向最前方の軸が第１軸となり、進行方向最後方の軸が第４軸となるため、図２及び図４の表を適宜読み替えることで主電動機信号切替部２２０，２３０を設計変更可能である。すなわち、軸重移動により、力行時であれば第１軸〜第４軸のうちの進行方向最後方の第４軸の軸重が他の軸に比べて最大になり、制動時であれば進行方向最前方の第１軸の軸重が他の軸に比べて最大になる。尚、複数電動機を一括して制御する方式であれば、３台車以上の台車を備える車両に対して本実施形態を適用することとしてもよい。

また、図８において、監視軸が粘着走行している際にはインバータ出力電流をフィードバック電流とし、各軸の角周波数の平均値をフィードバックすることとした。しかし、各軸の電動機の出力電流の合計値（より詳細には磁束成分それぞれの合計値とトルク成分それぞれの合計値）をフィードバック電流としてもよいし、平均値をフィードバック電流としてもよい。また、フィードバックする角周波数として代表軸（例えば力行時であれば進行方向最後方軸、制動時であれば進行方向最前方軸）の角周波数をフィードバックすることとしてもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態においては、第１軸の電動機ＩＭ＿１の電流を検出する電流センサ８１、第２軸の電動機ＩＭ＿２の電流を検出する電流センサ８２と、インバータ７０の出力電流を検出する電流センサ８５とを設けることとして説明したが、電流センサの設置数・組合せはこれに限られるものではない。例えば、電流センサ８２を設置せずとも、電流センサ８５の検出値と電流センサ８１の検出値とから第２軸の電動機ＩＭ＿２の電流を算出（検出）することとしてもよい。インバータ出力電流は、一括制御している各軸の電動機電流の和であるからである。

第１実施形態における電車の主回路の回路ブロック図。 第１実施形態の主電動機信号切替部の動作原理を説明するための図。 第１実施形態の主電動機信号切替部の動作原理を説明するための図。 第１実施形態の主電動機信号切替部の動作原理を説明するための図。 第１実施形態の主電動機信号切替部の動作原理を説明するための図。 第１実施形態に係るシミュレーション結果を示す図。 第２実施形態における電車の主回路の回路ブロック図。 第２実施形態の主電動機信号切替部の動作原理を説明するための図。 第２実施形態に係るシミュレーション結果を示す図。

符号の説明

１，２ 電動機制御装置
２０，２２ ベクトル制御演算装置
２１０ 電圧制御指令器
２２０，２３０ 主電動機信号切替部
２５０ 積分器
２７０ 座標変換部
７０ インバータ
ＩＭ＿１，２ 電動機

Claims (8)

1. 給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
   力行時に、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う電動機制御方法。
2. 給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
   制動時に、制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う電動機制御方法。
3. インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸以外の所定軸を空転監視軸として当該軸の空転発生を検出する空転検出ステップと、
   力行時に、前記空転検出ステップによる検出がなされない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記空転検出ステップによる検出がなされた場合には、ｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う一括制御切替ステップと、
   を含む電動機制御方法。
4. インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御方法であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸以外の所定軸を滑走監視軸として当該軸の滑走発生を検出する滑走検出ステップと、
   制動時に、前記滑走検出ステップによる検出がなされない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記滑走検出ステップによる検出がなされた場合には、ｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流及び回転子角周波数を用いて前記一括制御を行う一括制御切替ステップと、
   を含む電動機制御方法。
5. 給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
   前記進行方向最後方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
   力行時に前記電流検出手段により検出された電流と前記角周波数検出手段により検出された角周波数とを用いて前記一括制御を行う力行時一括制御手段と、
   を備えた電動機制御装置。
6. 給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
   前記進行方向最前方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
   制動時に前記電流検出手段により検出された電流と前記角周波数検出手段により検出された角周波数とを用いて前記一括制御を行う制動時一括制御手段と、
   を備えた電動機制御装置。
7. インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
   前記進行方向最後方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最後方の軸以外の所定軸を空転監視軸として当該軸の空転発生を検出する空転検出手段と、
   力行時に、前記空転検出手段による検出がなされていない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記空転検出手段による検出がなされた場合には、前記電流検出手段により検出された電動機電流及び前記角周波数検出手段により検出された角周波数を用いて前記一括制御を行う力行時一括制御手段と、
   を備えた電動機制御装置。
8. インバータにより給電される給電ラインに並列接続された電動車車両内或いは台車内のｎ軸（ｎ≧２）それぞれの電動機をベクトル制御により一括制御する電動機制御装置であって、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸の電動機電流を検出する電流検出手段と、
   前記進行方向最前方の軸の回転子角周波数を検出する角周波数検出手段と、
   制御対象のｎ軸のうちの進行方向最前方の軸以外の所定軸を滑走監視軸として当該軸の滑走発生を検出する滑走検出手段と、
   制動時に、前記滑走検出手段による検出がなされていない場合には、ｎ軸それぞれの電動機電流又は前記インバータの出力電流と、ｎ軸それぞれの電動機の回転子角周波数又は代表軸の電動機の回転子角周波数とを用いて前記一括制御を行い、前記滑走検出手段による検出がなされた場合には、前記電流検出手段により検出された電動機電流及び前記角周波数検出手段により検出された角周波数を用いて前記一括制御を行う制動時一括制御手段と、
   を備えた電動機制御装置。

Images