JP6649000B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来から永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭ（Permanent Magnet Synchronous Motor））が鉄道の車両の駆動装置として用いられている。このようなＰＭＳＭを有する車両の制御装置では、モータからインバータへ誘起電圧による電流が逆流しないように、モータ開放接触器（以下、ＭＣＯＫ（Motor Cut-Out Kontactor）が設けられている。ＭＣＯＫは、故障時の保護動作、非常ブレーキ、レバーサ（逆転器）オフ、制御電源オフ等の状態において開放されるが、通常の運行時には接触状態を維持している。

しかし、車両を駅に停車させるときに非常ブレーキが用いられる場合があり、これに伴ってＭＣＯＫの接触・開放動作が頻繁となり、ＭＣＯＫの負担が大きくなる。

特開２０１２−６５４３８号公報

接触器の接触と開放との繰返しを抑制し、接触器の寿命の短縮化を抑制することができる電気車制御装置を提供する。

本実施形態による電気車制御装置は、電気車を駆動する電動機を備える。インバータは、電源からの直流電力を交流電力へ変換して電動機へ供給する。接触器は、少なくとも非常時に電気車を制動する非常ブレーキの状態または電気車の進行方向を制御するレバーサの状態に基づいて、インバータと電動機との間を接続し、あるいは、開放する。コントローラは、電気車の速度を示すパラメータに応じて、非常ブレーキの状態またはレバーサの状態による接触器の制御を有効または無効とする。

第１の実施形態による電気車制御装置１（以下、制御装置１ともいう）の構成の一例を示す図。 図２は、コントローラ４０のアルゴリズムの一例を示す図。 第２の実施形態によるコントローラ４０のアルゴリズムの一例を示す図。 電気車の速度とモータ１０の回生トルク（回生電流）との関係を示すグラフ。 第３の実施形態による制御装置２の構成の一例を示す図。 第３の実施形態によるコントローラ４０のアルゴリズムの一例を示す図。 第４の実施形態による制御装置３の構成の一例を示す図。 第４の実施形態によるコントローラ４０のアルゴリズムの一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による電気車制御装置１（以下、制御装置１ともいう）の構成の一例を示す図である。制御装置１は、鉄道等の電気車の制御に用いられる制御装置である。制御装置１は、電動機としてのモータ１０と、インバータ２０と、接触器３０と、コントローラ４０と、電流検出器５０と、電圧検出器６０と、パンタグラフＰと、ヒューズＭＦと、主開閉器ＭＳと、高速度遮断器ＨＢと、断流器ＬＢと、充電抵抗ＣＲと、フィルタリアクトルＦＬおよびフィルタコンデンサＦＣからなるフィルタ回路Ｆとを備えている。

モータ１０は、電気車を走行させるために電気車の車輪を駆動させる。モータ１０は、例えば、三相交流モータであり、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）である。ＰＭＳＭは永久磁石（高保磁力の磁石）を用いているため、ロータを機械的に回転させることによって誘起電力（回生電力）を発生する。回生電力は、通常、架線を介して他の力行中の電気車へ供給される。

インバータ２０は、複数のスイッチング素子２１を備え、それらのスイッチング素子２１をオン・オフ制御することによって、架線から得られた直流電力を交流電力（例えば、三相交流電力）へ変換する。インバータ２０において変換された交流電力は、モータ１０へ供給される。

接触器３０は、モータ１０とインバータ２０との間を電気的に接続し、あるいは、開放する電磁開閉器である。例えば、接触器３０は、モータ開放接触器（以下、ＭＣＯＫ）でよい。接触器３０は、以下、ＭＣＯＫ３０とも呼ぶ。

コントローラ４０は、電流検出器５０からのモータ電流値ＩｕとＩｗ、電圧検出器６０からのフィルタコンデンサＦＣの両端電圧Ｅｆｃ、制御状態信号ＣＴＬ等を受け取り、それらの値や信号に基づいて、インバータ２０のスイッチング素子２１のオン・オフを制御し、更に、ＭＣＯＫ３０の接続／開放を制御する。制御状態信号ＣＴＬは、例えば、インバータ２０の制御信号、ＭＣＯＫ３０の接続／開放を決定する制御信号、非常ブレーキの入り／切りの状態を示す信号、レバーサ（逆転器）の状態を示す信号等の様々な制御信号および状態信号を含む。レバーサは、電気車の進行方向を制御するために設けられている。レバーサがオン状態のときに、電気車は、力行し、前進または後進することができる。レバーサがオフ状態のときに、電気車は、停止しており、あるいは、惰行している。

電流検出器５０は、インバータ２０とＭＣＯＫ３０との間に接続されており、インバータ２０からモータ１０へ供給される交流電流、あるいは、モータ１０からインバータ２０へ回生される交流電流を検出する。以下、電流検出器５０において検出されたインバータ２０とモータ１０との間に流れる電流値は、Ｕ相の交流電流値ＩｕとＷ相の交流電流値Ｉｗとする。なお、この例では、検出される電流値が、Ｕ相とＷ相の交流電流値としているが、Ｖ相を含む３相の交流電流のうちの任意の２相を選択すればよく、また、３相全ての交流電流値を検出するように電流検出器５０を構成してもよい。

電圧検出器６０は、パンタグラフＰとインバータ２０との間のいずれかのノードと接地電位との間に接続されており、フィルタコンデンサＦＣの端子電圧Ｅｆｃを検出する。接地電位は、例えば、車輪を介して線路に電気的に接続されることによって得られる。

ヒューズＭＦは、架線から大きな電流が流れたときに電気車を保護するために設けられている。主開閉器ＭＳは、電気車のメンテナンス等のときに電力を切断するために設けられている。高速度遮断器ＨＢは、重大な故障が生じたときに電力を遮断するために設けられている。断流器ＬＢは、レザーバをオフにしたときか、地絡が検知されるなどして保護動作が発生したときに電力を遮断するために設けられている。充電抵抗ＣＲは、電力供給開始時にフィルタコンデンサＦＣをゆっくり充電させるために設けられている。フィルタ回路Ｆは、直流電圧を安定化させるために設けられている。

図２は、コントローラ４０が有するアルゴリズムの一例を示す図である。図２に示すアルゴリズムは、ＣＰＵおよびプログラムで実現してもよく、ロジック回路で実現してもよい。制御信号Ｓｍｃｏｋは、ＭＣＯＫ３０を制御するリレーを駆動するための信号であり、論理ゲートＧ２０に入力する制御信号をＳｍｏｃｋ（ｉｎ）、論理ゲートＧ２０から出力される制御信号をＳｍｏｃｋ（ｏｕｔ）とする。制御信号Ｓｍｃｏｋ（ｏｕｔ）が論理ハイに活性化されると、リレーが投入位置となるように駆動されてＭＣＯＫ３０は接触状態となり、インバータ２０とモータ１０との間を電気的に接続する。制御信号Ｓｍｃｏｋ（ｏｕｔ）が論理ロウに不活性化されると、リレーが非投入位置となるよう駆動されてＭＣＯＫ３０は非接触状態となり、インバータ２０とモータ１０との間を電気的に遮断する。

制御信号Ｓｍｃｏｋ（ｉｎ）は、力行条件が成立した場合、または、回生条件が成立した場合等において活性化され、制御信号Ｓｍｏｃｋ(ｏｕｔ)として出力される。ただし、制御信号Ｓｍｃｏｋ（ｉｎ）は、非常ブレーキが入った場合、レバーサがオフ状態になった場合、または、その他の異常による保護信号Ｓｐが活性化された場合等に無効化され、この結果、Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）の活性・不活性にかかわらず、Ｓｍｏｃｋ（ｏｕｔ）は不活性となる。

非常ブレーキ信号Ｓｅｂは、非常ブレーキの入り／切りの状態を示す信号である。非常時に電気車を制動するために非常ブレーキが入ったときに、非常ブレーキ信号Ｓｅｂは、論理ハイに活性化される。非常ブレーキが入っていないときに、非常ブレーキ信号Ｓｅｂは、論理ロウに不活性化される。

レバーサ信号Ｓｒｂは、レバーサのオン／オフの状態を示す信号である。電気車の進行方向を制御するレバーサがオン状態（前進または後進可能状態）であるときに、レバーサ信号Ｓｒｂは、論理ハイに活性化される。レバーサがオフ状態（停止または惰行状態）であるときに、レバーサ信号Ｓｒｂは、論理ロウに不活性化される。なお、レバーサ信号Ｓｒｂは、否定論理（ＮＯＴ）によって反転されて論理ゲートＧ５へ入力される。

保護検知信号Ｓｐは、非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよびレバーサ信号ｒｂ以外の異常を示す信号である。例えば、保護検知信号Ｓｐは、電気車の故障を示す信号、架線電圧の異常を示す信号、緊急時の信号等である。なお、保護検知信号Ｓｐは、緊急時に必要な信号であるので、電気車の速度によって無効化すべきものではない。従って、保護検知信号Ｓｐは、電気車の速度によらず有効である。

推定速度Ｖｅｌは、電気車の速度の推定値であり、電流検出器５０からの電流値ＩｕとＩｗを用いて算出される。

インバータ信号Ｓｉｎｖは、インバータ２０の稼働状態を示す信号である。インバータ２０が稼働状態（以下、ゲートスタート状態という）であることは、インバータ２０内のスイッチング素子２１がオン・オフ動作することで直流電力から交流電力への変換が行われていることを意味する。一方、インバータ２０が稼働していない状態（以下、ゲートオフ状態という）であることは、インバータ２０内のスイッチング素子２１がオン・オフ動作せず、直流電力から交流電力への変換が行われていないことを意味する。

インバータ２０がゲートオン状態のとき、インバータ信号Ｓｉｎｖは不活性状態となっており、コントローラ４０は、インバータ信号Ｓｉｎｖが不活性状態となったときにラッチ（記憶）した推定速度Ｖｅｌと閾値速度Ｖｅｌｔｈと比較する。これは、インバータ信号Ｓｉｎｖが不活性状態のときは、不活性状態になったときにラッチした推定速度ＶｅｌがＱから出力され続けるためである。一方、インバータ２０がゲートオフ状態のときには、インバータ信号Ｓｉｎｖは活性状態となり、ラッチ回路のＤ端子へ入力された推定速度ＶｅｌがそのままＱ端子から出力され、コントローラ４０は、Ｑ端子から出力された推定速度Ｖｅｌ、すなわちＤ端子へ入力された推定速度Ｖｅｌと閾値速度Ｖｅｌｔｈとを比較する。なお、ラッチ動作については後述する。

閾値速度Ｖｅｌｔｈは、予め設定されており、コントローラ４０内のメモリ（図示せず）に格納されている。

本実施形態によるコントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂ、レバーサ信号Ｓｒｂおよび保護検知信号ＳｐによってＭＣＯＫ３０を制御している。ここで、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよびレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を、推定速度Ｖｅｌに応じて有効または無効にする。

以下、インバータ２０がゲートスタート状態（インバータ信号Ｓｉｎｖが活性状態）である場合について説明する。

（Ｖｅｌ≧Ｖｅｌｔｈの場合：ケース１）
例えば、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ以上である場合（Ｖｅｌ≧Ｖｅｌｔｈ）、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を有効とする。具体的には、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ以上である場合、結果信号Ｓｒ１が論理ロウとなり、論理ゲートＧ１０は、論理和Ｓｒ２を有効に出力する。論理和Ｓｒ２は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂとレバーサ信号Ｓｒｂの反転信号とを入力した論理ゲートＧ５の出力信号である。論理ゲートＧ１０が論理和Ｓｒ２を有効に出力することによって、結果信号Ｓｒ３は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂ、レバーサ信号Ｓｒｂおよび保護検知信号Ｓｐの論理和となる。結果信号Ｓｒ３は、論理ゲートＧ１０の出力信号と保護検知信号Ｓｐとを入力した論理ゲートＧ１５の出力信号である。これにより、論理ゲートＧ２０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂ、レバーサ信号Ｓｒｂおよび保護検知信号Ｓｐに応じて制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）を有効または無効とする。論理ゲートＧ２０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよび保護検知信号Ｓｐが不活性状態であり、さらにレバーサ信号Ｓｒｂが活性状態である場合に、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）を有効とする。即ち、非常ブレーキが入っておらず、レバーサがオン状態になっており、かつ、その他の異常が発生していない場合に、コントローラ４０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）をそのまま出力する。従って、ＭＣＯＫ３０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）に従って接触または開放可能に制御される。

一方、論理ゲートＧ２０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂ、および保護検知信号Ｓｐのいずれかが活性状態である場合、またはレバーサ信号Ｓｒｂが不活性状態である場合に、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）を無効とする。即ち、非常ブレーキが入っているか、レバーサがオフ状態になっている、あるいは、他の異常が発生している場合に、コントローラ４０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）を無効とする。従って、ＭＣＯＫ３０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）に関わらず、開放状態になる。

（Ｖｅｌ＜Ｖｅｌｔｈの場合：ケース２）
例えば、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ未満である場合（Ｖｅｌ＜Ｖｅｌｔｈ）、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。より詳細には、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ未満である場合、結果信号Ｓｒ１が論理ハイとなり、論理ゲートＧ１０は非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよびレバーサ信号Ｓｒｂの論理和Ｓｒ２を無効にする。従って、結果信号Ｓｒ３は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよびレバーサ信号Ｓｒｂの論理に関わらず、保護検知信号Ｓｐに従った信号となる。これにより、非常ブレーキが入っても、あるいは、レバーサがオフ状態になっても、コントローラ４０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）をそのままとする。一方、コントローラ４０は、保護検知信号Ｓｐが活性状態である場合には、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）を無効とする。即ち、コントローラ４０は、保護検知信号Ｓｐが不活性状態である限り、非常ブレーキ信号Ｓｅｂおよびレバーサ信号Ｓｒｂに関わらず、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）をそのまま制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｏｕｔ）として出力する。制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｉｎ）が無効化されない場合、ＭＣＯＫ３０は、制御信号Ｓｍｏｃｋ（ｏｕｔ）に従って接触または開放可能に制御される。

上述の通り、乗務員は、車両を駅に停車させるとき等に非常ブレーキを頻繁に用いる場合がある。このような場合、ＭＣＯＫは、接触と開放とを頻繁に繰り返すため、ＭＣＯＫの寿命が短縮してしまう。

これに対し、本実施形態による制御装置１は、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ未満である場合（Ｖｅｌ＜Ｖｅｌｔｈ）、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。即ち、電気車の速度が充分に低い場合には、非常ブレーキが入っても、あるいは、レバーサがオフ状態になっても、ＭＣＯＫ３０は無効にならない。通常、電気車の速度が遅い場合、モータ１０に発生する誘起電圧が小さいので、電流はモータ１０からインバータ２０へほとんど流れ込まない。このようなモータの性質を利用して、電気車の速度が充分に低い場合には、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号Ｓｒｂによって、ＭＣＯＫ３０を遮断しない。従って、乗務員が車両を駅に停車させる度に非常ブレーキを用いたとしても、コントローラ４０は、低速走行中におけるＭＣＯＫ３０の接触と開放との繰り返しを抑制することができる。また、レバーサがオフ状態のときに電気車は停車または惰行状態である（速度はゼロまたは低下する）ので、電気車の速度が充分に低い場合には、コントローラ４０は、ＭＣＯＫ３０を遮断する必要は無い。その結果、本実施形態は、ＭＣＯＫ３０の動作負荷を緩和させることができ、ＭＣＯＫの寿命を長期化することができる。

以下、インバータ２０がオフ状態（インバータ信号Ｓｉｎｖが活性状態）である場合について説明する。尚、第１の実施形態による制御装置１は、モータ１０の回転角速度および回転角度を検出するハードウェアを用いない。即ち、第１の実施形態では、センサレス制御を想定している。センサレス制御を行う制御装置１では、モータ１０の磁極位置または電気車の速度は、インバータ２０のゲートオフ状態のときに推定することができない。従って、以下のように、コントローラ４０は、ラッチ動作を行う必要がある。

（インバータ２０がゲートオフ状態の場合：ラッチ動作）
コントローラ４０がインバータ２０をゲートオフ状態にした場合、コントローラ４０は、インバータ２０をゲートオフする直前の推定速度Ｖｅｌを、コントローラ４０内部のメモリまたはレジスタ等にラッチ（記憶）する。

その後、コントローラ４０がインバータ２０を再びゲートスタート状態にするまで、コントローラ４０は、ラッチされた推定速度Ｖｅｌ（以下、推定速度Ｖｅｌ＿ｌａｃｈともいう）と閾値速度Ｖｅｌｔｈとを比較する。そして、コントローラ４０は、推定速度Ｖｅｌ＿ｌａｃｈに応じて、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を有効または無効とする。例えば、推定速度Ｖｅｌ＿ｌａｃｈが閾値速度Ｖｅｌｔｈ以上である場合、上記ケース１と同様に動作する。推定速度Ｖｅｌ＿ｌａｃｈが閾値速度Ｖｅｌｔｈ未満である場合、上記ケース２と同様に動作する。

インバータ２０を再びゲートスタート状態にした場合、コントローラ４０は、推定速度Ｖｅｌ＿ｌａｃｈのラッチ状態を解除（リセット）し、現状の推定速度Ｖｅｌと閾値速度Ｖｅｌｔｈとを比較する。そして、コントローラ４０は、推定速度Ｖｅｌに応じて、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を有効または無効とする。この場合、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御は、上記ケース１およびケース２と同様となる。

以上のように、本実施形態による制御装置１は、推定速度Ｖｅｌが閾値速度Ｖｅｌｔｈ未満である場合に、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。即ち、電気車の速度が充分に低い場合には、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号Ｓｒｂによって、ＭＣＯＫ３０を遮断しない。従って、コントローラ４０は、低速走行中におけるＭＣＯＫ３０の接触と開放が繰り返されることを抑制することができる。また、レバーサがオフ状態の場合においても、電気車の速度が充分に低い場合には、コントローラ４０は、ＭＣＯＫ３０を無効にしない。その結果、本実施形態は、ＭＣＯＫ３０の動作負荷を緩和させることができ、ＭＣＯＫ３０の寿命を長期化することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態によるコントローラ４０が有するアルゴリズムの一例を示す図である。図３に示すアルゴリズムは、ＣＰＵおよびプログラムで実現してもよく、ロジック回路で実現してもよい。

第２の実施形態では、コントローラ４０は、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔ、回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐ、回生受付信号Ｓｒｇ＿ｓｔ、ノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆの論理演算に基づいて、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を有効または無効とする。

第１の実施形態において電気車の速度を示すパラメータは推定速度Ｖｅｌである。一方、第２の実施形態において電気車の速度を示すパラメータは、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔ、回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐ、回生受付信号Ｓｒｇ＿ｓｔ、ノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆ（またはブレーキオフ信号Ｓｂｒｏｆｆ）である。従って、第２の実施形態は、電気車の速度を示すパラメータにおいて第１の実施形態と異なる。第２の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。

図４を参照して、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔ、回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐおよび回生受付信号Ｓｒｇ＿ｓｔについて説明する。

図４は、電気車の速度とモータ１０の回生トルク（回生電流）との関係を示すグラフである。電気車の速度がＶ３からＶ２へ低下すると、制御装置１は、回生トルク（回生電力）の絞込みを開始し、機械ブレーキ（例えば、空気制動）の使用を開始する。即ち、制御装置１は、制動方式を回生ブレーキから機械ブレーキへ移行し始める。このように回生トルクの絞込みを開始するときに、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔが活性化される。

そして、電気車の速度がＶ２からＶ１へ低下すると、制御装置１は、回生トルク（回生電力）の絞込みを完了する。即ち、制動方式が回生ブレーキから機械的ブレーキへ移行完了する。このように回生トルクの絞込みが完了したときに、回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐが活性化される。

一方、電気車の速度が低速度からＶ３へ上昇すると、回生ブレーキの使用が可能になる。即ち、Ｖ３は、回生電力を受け付ける回生閾値と言ってよい。回生閾値Ｖ３を一旦超えると、その後、電気車が制動する際に、回生ブレーキが使用される。もし、回生閾値Ｖ３を超えることなく、電気車が制動した場合、回生ブレーキは作動せず、機械ブレーキが使用される。電気車の速度が上昇して回生閾値Ｖ３を一旦超えると、回生受付信号Ｓｒｇ＿ｓｔが活性化される。

図３に示すノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆは、電気車のノッチがオフ状態になり、惰行走行中であるときに活性化される。なお、ノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆに代えて、ブレーキオフ信号Ｓｂｒｏｆｆが用いられてもよい。ブレーキオフ信号Ｓｂｒｏｆｆは、電気車のブレーキがオフ状態になり、惰行走行中であるときに活性化される。ノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆおよびブレーキオフ信号Ｓｂｒｏｆｆは、いずれも電気車が惰行走行中であるか否かを示す信号である。

ゲートスタート信号Ｓｇａｔｅ＿ｓｔは、力行のためにインバータ２０をゲートスタート状態にするときに活性化される。

これらの信号を用いて、コントローラ４０は、以下のように動作する。

例えば、回生ブレーキ中において、コントローラ４０は、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔまたは回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐが活性化された場合（即ち、モータ１０からの回生電力の絞込みを開始しあるいは絞込みを完了した場合：条件１）に、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。即ち、電気車の速度がＶ２またはＶ１以下になった場合、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。あるいは、コントローラ４０は、回生受付信号Ｓｒｇ＿ｓｔが不活性状態でありかつノッチオフ信号Ｓｎｏｆｆまたはブレーキオフ信号Ｓｂｒｏｆｆが活性状態の場合（電気車の速度がモータ１０からの回生電力を受け付ける閾値速度Ｖ３以上に上昇せずかつ電気車が惰行中である場合：条件２）に、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を無効とする。このように電気車の速度が低い場合には、コントローラ４０は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによってＭＣＯＫ３０を遮断しない。

惰行中または回生中であり、ゲートスタート信号Ｓｇａｔｅ＿ｓｔが不活性状態である場合、コントローラ４０は、上記条件１または条件２に該当するときに、その信号状態（例えば、論理ハイ）をラッチする。これにより、結果信号Ｓｒ１が論理ハイに立ち上がる。従って、この場合、制御装置１は、上記ケース２と同様に動作する。

一方、条件１および条件２に該当しない場合、コントローラ４０は、結果信号Ｓｒ１を論理ロウにし、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を有効とする。この場合、制御装置１は、上記ケース１と同様に動作する。

力行開始し、ゲートスタート信号Ｓｇａｔｅ＿ｓｔが活性化された場合、コントローラ４０は、結果信号Ｓｒ１のラッチ状態をリセットする。このように、コントローラ４０は、リセット・セットフリップフロップＲＳ−ＦＦの機能を有する。

コントローラ４０のその他の構成および機能は、第１の実施形態におけるコントローラ４０の構成および機能と同じでよい。

第２の実施形態においても、電気車の速度が低い場合に、制御装置１は、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号Ｓｒｂに関わらず、ＭＣＯＫ３０を遮断しない。従って、第２の実施形態は、電気車の速度を示すパラメータが第１の実施形態と異なるものの、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第２の実施形態において、コントローラ４０は、条件１および条件２の両方の論理和（ＯＲ）を用いて結果信号Ｓｒ１を出力しているが、条件１または条件２のいずれか一方だけを用いて結果信号Ｓｒ１を出力してもよい。さらに、コントローラ４０は、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔと回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐとの論理和（ＯＲ）を条件１としているが、回生絞込開始信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｓｔまたは回生絞込完了信号Ｓｒｇ＿ｄｎ＿ｃｍｐのいずれか一方だけを用いて条件１を判断してもよい。即ち、コントローラ４０は、図４に示す速度Ｖ１、Ｖ２またはＶ３のいずれかを用いて、非常ブレーキ信号Ｓｅｂまたはレバーサ信号ＳｒｂによるＭＣＯＫ３０の制御を判断してもよい。

なお、閾値速度Ｖｅｌｔｈを上回る高速域まで加速した後、ゲートオフした場合、インバータ２０の温度が非常に高くなることがある。このような場合、ゲートオフ状態になっても、インバータ２０の負荷を軽減させるために、回生動作を実行しないことがある。このような状態は、回生開放状態とも呼ばれる。センサレス制御の場合、インバータ２０が回生開放状態であると、ブレーキ中に速度を推定できない。従って、コントローラ４０は、電気車のブレーキ中において、速度に基づいてＭＣＯＫ３０を制御できない場合がある。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態による制御装置２の構成の一例を示す図である。制御装置２は、モータ１０に回転角検出器（レゾルバ）７０をさらに備えている。第３の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。回転角検出器７０は、モータ１０のロータの回転角を周期的に検出することができる。コントローラ４０は、モータ１０のロータの回転角を微分することによってロータの角速度を算出し、この角速度に基づいて電気車の速度を算出することができる。尚、ここでは、ロータの回転角から得られる電気車の速度を、上記推定速度Ｖｅｌと区別するために実速度Ｖｅｌａと表す。

図６は、第３の実施形態によるコントローラ４０が有するアルゴリズムの一例を示す図である。図６に示すアルゴリズムは、ＣＰＵおよびプログラムで実現してもよく、ロジック回路で実現してもよい。

ここで、制御装置２は、モータ１０の回転角速度および回転角度を検出する回転角検出器７０を用いている。従って、制御装置２の電源が入っている限りにおいて、電気車の実速度Ｖｅｌａは、インバータ２０のゲートオフ状態においても得られる。よって、コントローラ４０は、ラッチ動作を行う必要がない。

コントローラ４０は、実速度Ｖｅｌａと閾値速度Ｖｅｌｔｈとを比較する。Ｖｅｌ≧Ｖｅｌｔｈの場合には、コントローラ４０は、ケース１と同様に動作する。Ｖｅｌ＜Ｖｅｌｔｈの場合には、コントローラ４０は、ケース２と同様に動作する。従って、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態による制御装置３の構成の一例を示す図である。制御装置３は、モータ１０とインバータ２０との間のノードに接続されたモータ電圧検出器８０をさらに備えている。第４の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。モータ電圧検出器（ＭＰＴ（Motor Potential Transformer））８０は、モータ１０から誘起されるモータ電圧（回生電圧）を検出する。モータ電圧は、電気車の速度に対応しているため、電気車の速度を示すパラメータとして用いることができる。

図８は、第４の実施形態によるコントローラ４０が有するアルゴリズムの一例を示す図である。図８に示すアルゴリズムは、ＣＰＵおよびプログラムで実現してもよく、ロジック回路で実現してもよい。

コントローラ４０は、モータ電圧値Ｖ（実効値または瞬時値）と閾値電圧Ｖｔｈとを比較する。例えば、モータ電圧値Ｖが閾値電圧Ｖｔｈを下回る場合、コントローラ４０は、電気車が低速で走行しているものと判断する。従って、Ｖ≧Ｖｔｈの場合には、コントローラ４０は、ケース１と同様に動作する。

一方、例えば、モータ電圧値Ｖが閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、コントローラ４０は、電気車が高速で走行しているものと判断する。従って、Ｖ＜Ｖｔｈの場合には、コントローラ４０は、ケース２と同様に動作する。従って、第４の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、コントローラ４０は、モータ電圧検出器８０から取得した電圧波形から車両速度を推定してもよい。この場合、制御装置３は、第３の実施形態の制御装置２と同様に動作する。

上記第１〜第４の実施形態のいずれか複数を組み合わせてもよい。例えば、第１または第２の実施形態は、回転角検出器７０および／またはモータ電圧検出器８０を備えてもよい。第３の実施形態は、モータ電圧検出器８０を備えてもよい。この場合、コントローラ４０は、図２、図３、図６、図８のいずれか複数のアルゴリズムを組み合わせた制御を実行してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・電気車制御装置、１０・・・モータ、２０・・・インバータ、３０・・・接触器、４０・・・コントローラ、５０・・・電流検出器、６０・・・電圧検出器、７０・・・回転角検出器、８０・・・モータ電圧検出器

Claims (6)

1. 電気車を駆動する電動機と、
   電源からの直流電力を交流電力へ変換し該交流電力を前記電動機へ供給するインバータと、
   少なくとも非常時に前記電気車を制動する非常ブレーキの状態、前記電気車の進行方向を制御するレバーサの状態、または、緊急事態を示す保護検知信号に基づいて、前記インバータと前記電動機との間を接続しあるいは開放する接触器と、
   前記電気車の速度を示すパラメータに応じて、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を有効または無効とし、前記パラメータに依らず前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効に維持するコントローラとを備え、
   前記電気車の速度が予め設定された閾値速度よりも低いことを示す場合に、前記コントローラは、前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効にしたまま、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を無効とする、電気車制御装置。
2. 前記インバータと前記電動機との間に流れる電流を検出する電流検出器をさらに備え、 前記コントローラは、前記電流に基づいて前記電気車の推定速度を算出し、該推定速度を前記パラメータとして用いて該推定速度が予め設定された閾値速度よりも低い場合に、前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効にしたまま、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を無効と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. 前記コントローラは、前記電動機からの回生電力の絞込みを開始しあるいは絞込みを完了した場合に、あるいは、前記電気車の速度が前記電動機からの回生電力を受け付ける閾値速度以上に上昇せずかつ前記電気車が惰行中である場合に、前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効にしたまま、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を無効と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. 前記電動機の軸の回転角を検出する回転角検出器をさらに備え、
   前記コントローラは、前記回転角から得られる前記電気車の速度を算出し、該速度を前記パラメータとして用いて該速度が予め設定された閾値速度よりも低い場合に、前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効にしたまま、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を無効と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. 前記電動機において回生される電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、
   前記コントローラは、該電圧を前記パラメータとして用いて該電圧が予め設定された閾値電圧よりも低い場合に、前記保護検知信号による前記接触器の制御を有効にしたまま、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を無効とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電気車制御装置。
6. 前記コントローラは、前記インバータのゲートをオフ状態にしたときに前記パラメータをラッチし、該ラッチされたパラメータに応じて、前記非常ブレーキの状態または前記レバーサの状態による前記接触器の制御を有効または無効とし、
   前記コントローラは、前記インバータのゲートをオン状態にしたときに前記パラメータのラッチ状態をリセットすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電気車制御装置。

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