JPH11155202A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電動機の高速回転における、弱め界磁制御によ
る最大トルクの低下による制動トルクの低下を少なく
し、電動機の回転によらず一定以上の制動トルクを得ら
れるようにする。 【解決手段】トルク指令と電動機回転数よりトルク電流
成分指令と界磁成分電流指令を演算し、電流制御手段と
駆動信号発生手段により電力変換手段を駆動し電動機に
トルクを発生させる。トルク電流成分指令と界磁成分電
流指令は電源の電圧検出値をもとに補正係数算出手段で
演算された電圧補正係数により補正され、電源の電圧に
応じて弱め界磁を補正し電動機の電圧を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電動機を制御
する電気車の制御装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開平3−70402号公報に示されて
いるように、電気自動車の制動を行うための制動力は一
般に、液圧制動装置による機械制動力と回生制動による
電気制動力により行われることがよく知られている。本
内容は、機械制動力と回生制動力の合力によりまかなわ
れる制動力が、電気自動車の車速が高い場合、すなわち
電動機の回転数が高く、回生制動トルクが低下している
場合、その不足する回生制動トルクを電磁ブレーキによ
る制動装置の制動力に分担することによって、電気自動
車の車速によらず常に一定の減速度を得ることが出来る
点が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、電
気自動車が高速域で走行している場合、つまり電動機が
高速回転している場合に生じる制動力不足を補うものと
して、電気自動車の駆動系に電磁ブレーキによる制動力
に分担させているが、これは当然ながら余分な装置を電
気自動車に付加することとなり、また車両が低速で走行
している状態、つまり、電動機の回転数が低い場合には
この電磁ブレーキによる制動力が不要であるため、制動
力を補うためのこの余分な装置を付加することは得策で
はないと考えられる。

【０００４】本発明の目的は、電気車の走行時に、電動
機が高速回転している場合でも回生制動力が低下しない
ようにし、一定以上の制動力を得られるようにした電気
車の制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、直流電力を変
換して交流電動機に供給する電力変換手段と、前記交流
電動機が発生すべきトルクの指令であるトルク指令値を
演算するトルク演算手段と、前記交流電動機の回転速度
を検出する回転検出手段と、前記トルク指令値と前記電
動機回転速度をもとに、前記交流電動機に与える電流を
トルク制御成分Ｉｑと界磁制御成分Ｉｄを分離してベク
トル制御演算し、前記交流電動機の電動機電圧を前記ト
ルク制御成分と前記界磁制御成分により制御してなるも
のにおいて、前記トルク制御成分と前記界磁制御成分は
前記トルク指令値と前記電動機回転速度から演算すると
ともに、前記電源の電圧をもとに前記トルク制御成分と
前記界磁制御成分を補正することによって達成される。

【０００６】本発明の好ましくは、前記交流電動機が回
生制動を行っていると判断した場合は、前記電源の電圧
をもとに前記トルク制御成分と前記界磁制御成分を回生
制動トルクが向上するように補正することによって達成
される。

【０００７】本発明の好ましくは、前記交流電動機が力
行動作を行っていると判断した場合は、前記トルク指令
と前記電動機回転速度によって前記トルク制御成分と前
記界磁制御成分を調節することよって達成される。

【０００８】本発明の好ましくは、前記トルク制御成分
と前記界磁制御成分は、前記電源の電圧を入力とした任
意の関数をもとに前記トルク制御成分と前記界磁制御成
分の補正調節量を決めることによって達成される。

【０００９】本発明の好ましくは、回生制御時のトルク
指令値は、力行制御時のトルク指令値に対し大きく設定
することによって達成される。

【００１０】本発明の好ましくは、回生制御時のトルク
指令値は電源の電圧を入力とした任意の関数をもとに設
定することによって達成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による電気車の制御
装置の実施例を図をもとに説明する。

【００１２】図１は本発明の電気車の制御装置の基本構
成を示す図である。電気車の制御装置には、運転者の意
志を電気的な信号に変換するアクセル装置１，ブレーキ
装置２，シフト装置３が備えられており、運転者が行っ
た操作は電気信号として制御手段４の内部の演算手段５
に伝達される。演算手段５はアクセル装置１，ブレーキ
装置２，シフト装置３の信号と、電動機９の回転を回転
検出手段１０で検出した信号である回転検出信号１２の
信号を取り込み、駆動信号１１を演算出力する。駆動信
号１１は電力変換手段６の内部の電力変換素子８に伝達
され、電源７の電力を変換して電動機９に供給し、電動
機９がトルクを発生して電気車を走行駆動する。電動機
９に流れた電流は電流検出手段１３によって検出され電
流検出信号１４として演算手段５に伝達される構成とな
っている。

【００１３】図２は電気車の制御装置における、本発明
を適用しない場合の電動機９の出力特性を示す図であ
る。電動機９は制御手段４の演算手段５で演算する指令
値をもとにトルクを発生するが、その出力トルク特性は
横軸に電動機９の回転数Ｎｍ、縦軸に出力トルクτｍを
とって表わすと図２に示すように電動機９の回転数が領
域Ａの範囲では最大トルクを一定に出力できるようにな
っている。領域Ｂの電動機９の回転数Ｎｍが高速回転に
なるほど、出力できるトルクは電動機９の回転数Ｎｍに
対して低下していき、最高回転数の時点ではτ１までの
トルクになる。これは一般的な交流電動機制御の場合、
電力変換手段６により電動機９に印加できる電圧が電源
７の電圧により決まってしまうことと、交流電動機を高
速まで回転させる場合、例えば永久磁石式同期電動機を
用いた場合などは高速回転に応じて発生する誘起電圧を
抑制し高速まで回転させる、いわゆる弱め界磁制御を行
うため電動機９に流す電流に高速回転では弱め界磁をす
るための電流分が含まれることとなり、その結果電力変
換手段６が通電できる電流制限の内トルクを発生するた
めの電流分が相対的に小さくなるため、高速域で出力ト
ルクが小さくなるという動作になる。

【００１４】一般的な電動機の出力特性は、このように
弱め界磁を行うことによって、定トルク，定出力（一定
ワット），定電圧（定電動機電圧）という動作を行うよ
うになっている。

【００１５】図２に示す実施例においては、この弱め界
磁を行うことにより、電動機９の回転数Ｎｍに対する電
動機９の電圧Ｖ１は領域Ａの範囲では電動機９の回転数
Ｎｍに比例して増加していき、領域Ｂでは電動機９の回
転数Ｎｍによらず一定の電圧になるように弱め界磁制御
している。この電動機９の電圧Ｖ１は、電源７の電圧Ｖ
Ｂにより上限が決まる値であり、通常のＰＷＭインバー
タを例にとると、電圧ＶＢの７０％程度が電圧Ｖ１の上
限値になる。また、ＰＷＭインバータなどの電力変換手
段６は、流すことができる電流の最大値が電力変換素子
８の容量によってきまることから、この通電可能最大電
流と電圧Ｖ１から電動機９が出力できる最大トルクが決
まることとなる。

【００１６】言い換えれば、電圧ＶＢが高ければそれだ
け電動機９の電圧Ｖ１を高くできるため、同じだけ電動
機電流を流すとすれば、電動機９の電圧Ｖ１が高い方が
トルクを多く発生できることになる。この最大トルク特
性は力行の場合でも回生の場合でも基本的に対称であ
り、どのような動作状態でも出力可能なトルクは同じで
ある。つまり最高回転における力行時の最大トルクをτ
１、回生時の最大トルクをτ２とするとこのトルクはτ
１＝τ２の特性となる。

【００１７】図３は本発明の電気車の制御装置におけ
る、制御手段４の内部の演算手段５の処理内容の一例を
示すブロック図である。アクセル装置１，ブレーキ装置
２，シフト装置３からの信号はそれぞれアクセル信号１
５，ブレーキ信号１６，シフト信号１７としてトルク指
令演算手段１８に入力される。回転検出信号１２は回転
数演算手段１９によって演算を行い、電動機回転数２０
を算出しトルク指令演算手段１８に伝達する。トルク指
令演算手段１８では、入力した信号をもとに電動機９が
発生すべきトルクの演算を行い、トルク指令２１として
出力する。トルク指令２１はトルク成分電流発生器２２
と界磁成分電流発生器２３にそれぞれ入力し、同時に電
動機回転数２０も入力してトルク成分電流指令２４と界
磁成分電流指令２５を演算出力する。トルク成分電流指
令２４と界磁成分電流指令２５は電流制御手段２６に伝
達される。電流検出信号１４は電流変換手段２７によっ
て変換を行い、変換電流値２８を出力する。電流制御手
段２６はトルク成分電流指令２４と界磁成分電流指令２
５と変換電流値２８をもとに電流制御を行い、電圧指令
値２９を出力する。駆動信号発生手段３０では電圧指令
値２９の値をもとに、電力変換手段６に伝達する駆動信
号１１を生成し、電力変換手段６を動作させて電動機９
に電流を流し、トルクを発生させる構成となっている。
ここで、界磁成分電流発生器２３からの界磁成分電流指
令２５は先に図２で述べた弱め界磁を行うための電流指
令であり、図２で述べたように高速回転時に電動機９の
電圧Ｖ１が一定になるように電動機９に電流を流す動作
を行う。

【００１８】図４は本発明の電気車の制御装置における
制御ブロック図を示す図である。

【００１９】図３で説明したブロック図と同様にトルク
指令２１と電動機回転数２０からトルク成分電流指令２
４と界磁成分電流指令２５を算出し電流制御手段２７で
電流制御を行って駆動信号１１を発生するが、その処理
の他に電源７の電圧検出値３１の値とアクセル装置１と
ブレーキ装置２とシフト装置３と電動機回転数２０の値
から発生する力行／回生モードフラグ３３の値をもと
に、力行／回生モードフラグ３３が回生モードを示して
いる場合には補正係数算出手段３２において電源７の電
圧ＶＢより電動機９の電圧Ｖ１を補正するための電圧補
正係数３４を演算出力する。電圧補正係数３４は、トル
ク成分電流補正手段３５と界磁成分電流補正手段３６そ
れぞれに伝達され、トルク成分電流補正手段３５ではト
ルク成分電流指令２４の値を、界磁成分電流補正手段３
６では界磁成分電流指令２５を電圧補正係数３４によっ
て補正を行う。この補正によって補正トルク成分電流指
令３７と補正界磁成分電流指令３８を演算し、電流制御
手段２６で電流制御を行い、駆動信号１１を発生して電
力変換手段６を動作させ、電動機９に電流を通電してト
ルクを発生させる。

【００２０】このような処理を行うことによって、トル
ク指令演算手段で電気車の制御装置の動作が力行か回生
かを判別して、回生動作時には回生制動によって上昇す
る電源７の電圧ＶＢに応じて電動機９の電圧Ｖ１が高く
なるように、つまり弱め界磁を弱くする動作をさせるよ
う電圧補正係数３４を発生し界磁成分電流指令２５を界
磁成分電流補正手段３６によって補正する。界磁成分電
流指令２５のみの補正では、トルク指令２１に対する電
動機９の出力トルクが合わなくなることが想定されるた
め、その補正のために電圧補正係数３４の値によりトル
ク成分電流補正手段３５にてトルク成分電流指令２４も
補正し、トルク指令２１に対する電動機９が発生するト
ルクが常に一致するように補正を行う。また、補正係数
算出手段３２の演算方法は、電源７の電圧ＶＢに比例し
て電圧補正係数３４を発生させてもよいし、電源７の電
圧ＶＢを入力とした関数または規定のパターンやテーブ
ルをもとに電圧補正係数３４を発生させるようにしても
よい。また、この電圧補正係数３４による補正は、力行
／回生の動作状態によらず、電源７の電圧ＶＢのみで補
正を行うようにしてもよい。

【００２１】図５に補正係数算出手段３２によって弱め
界磁の補正を行う場合での、電源７の電圧ＶＢに対する
電動機９の電圧Ｖ１の関係を示す。電源７の電圧ＶＢが
VB1以下の場合には電動機９の電圧Ｖ１はＶ１min にな
るように弱め界磁を行う。回生制動によって電源７の電
圧ＶＢが上昇してきた場合には電圧ＶＢに従ってVBaで
は電動機９の電圧Ｖ１はＶ１ａ、ＶＢｂではＶ１ｂ、Ｖ
ＢｃではＶ１ｃとなるように電動機９の電圧Ｖ１を弱め
界磁制御を行うことにより調節していく。電源７の電圧
ＶＢがＶＢ２まで達した場合には電動機９の電圧Ｖ１は
Ｖ１max 以上上昇しないように補正を行う。このＶ１ma
x は電力変換手段６や電力変換素子８の耐圧などから決
めるようにする。このように電源７の電圧ＶＢに応じて
電動機９の電圧Ｖ１を変化させることによって、電圧Ｖ
Ｂが高い場合には電動機９の電圧Ｖ１を高く設定できる
ため、電動機９に同じだけ電流を流した場合には電圧Ｖ
１が高い方が電動機９への入力が大きいためにより大き
なトルクを電動機９に発生させることができるようにな
る。

【００２２】図６に本発明の電気車の制御装置におけ
る、電動機９の電圧Ｖ１を変化させた場合の最大トルク
特性を示す。横軸に電動機９の回転数Ｎｍ、縦軸に出力
トルクτｍと電動機９の電圧Ｖ１として表わすと、力行
は正のトルク、回生は負のトルクで表わすことができ
る。ここで通常の力行においては、電動機９の回転数Ｎ
ｍに対する電圧Ｖ１は、Ｖｌmin で示すようにある任意
の回転数Ｎｆから弱め界磁制御によって電圧Ｖ１を一定
になるように調整する。この電圧Ｖｌは電気車の制御装
置の動作範囲内で、電源７の電圧ＶＢが一番低下した場
合または動力性能を保証する下限の電圧ＶＢに合わせて
設定するのが普通である。しかし回生制動を行った場合
には電源７の電圧ＶＢも上昇する。そのために必ずしも
電源７の電圧ＶＢが最も低下した場合に合わせて電動機
９の電圧Ｖ１を決める必要はない。そこで回生制動時に
は上昇する電圧ＶＢに合わせて電動機９の電圧Ｖ１の上
限をＶ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃと段階的または電圧ＶＢに
比例するように弱め界磁制御を補正する。このようにす
ることによって、電動機９に同じだけの電流を流した場
合には、電動機９の電圧を高くした方が回生制動のため
のトルクを多く電動機９に発生させることができるよう
になるため、その結果回生制動のトルクは電動機９の電
圧がＶ１ａの時はτａ、Ｖ１ｂの時はτｂ、Ｖ１ｃの時
はτｃと、回生制動トルクも大きく発生させることがで
きるようになる。

【００２３】図７に本発明の電気車の制御装置を適用し
た場合の最大トルク特性を示す。先に述べたように従来
の制御では、力行と回生のトルクが対象な出力となるた
め、図の斜線で示す領域のように回生制動トルクを高速
域で力行時のトルク以上の値で、つまりτ１＝τ２から
τ１＜τ２となるように制動トルクを発生させて、一定
以上かつ回転数による制動力の変化の無い減速度を得た
い場合にも、要求回生制動トルクτｒｔに対してτｕだ
け制動トルクが不足することが避けられなかった。この
場合には本来τｒｔのレベルの回生制動トルクが必要な
高速域で逆に回生制動トルクが低下してしまうために、
高速域でも強い回生制動トルクを必要とするバッテリフ
ォークリフトなどに適用した場合、高速域で制動性能の
低下を招いていた。しかし本発明の電気車の制御装置を
適用した場合、回生制動による電源７の電圧ＶＢの上昇
に応じて回生制動トルクをａカーブのレベルからｂカー
ブのレベルにまで回生制動トルクを上げることができる
ため、斜線で示したτｒｔのレベルの回生制動トルクを
どの電動機回転数においても発生させることができるよ
うになる。特に、高速域でも強い制動力を必要とするバ
ッテリフォークリフト等の車両に適用した場合に走行性
能を向上させることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、力行動作や回生動作に
よって変化する電源の電圧に伴って電動機の電動機電圧
を電源の電圧に応じて調整できるようになり、電動機の
回転数が高速の時の弱め界磁によって発生する回生制動
トルクの低下を抑制することが可能となり、電動機の回
転によらず一定レベル以上の強い制動力を得ることがで
きるようになる。

【００２５】また、制御装置自体は従来の大きさ，容量
のままで制動トルクだけを上げることができるために、
装置を大型化せずに所望の動力性能を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気車の制御装置の基本構成を示す図
である。

【図２】電気車の制御装置における、本発明を適用しな
い場合の最大トルク特性を示す図である。

【図３】本発明の電気車の制御装置における、制御手段
４の内部の演算手段５の処理内容を示すブロック図であ
る。

【図４】本発明の電気車の制御装置における制御ブロッ
ク図を示す図である。

【図５】補正係数算出手段３２によって弱め界磁の補正
を行う場合での、電源７の電圧ＶＢに対する電動機９の
電圧Ｖ１の関係を示す図である。

【図６】本発明の電気車の制御装置における、電動機９
の電圧Ｖ１を変化させた場合の最大トルク特性を示す図
である。

【図７】本発明の電気車の制御装置を適用した場合の力
行と回生のトルク特性を示す図である。

【符号の説明】

１…アクセル装置、２…ブレーキ装置、３…シフト装
置、４…制御手段、５…演算手段、６…電力変換手段、
７…電源、９…電動機、１０…回転検出手段、１１…駆
動信号、１３…電流検出手段、１８…トルク指令演算手
段、１９…回転数演算手段、２０…電動機回転数、２１
…トルク指令、２２…トルク成分電流発生器、２３…界
磁成分電流発生器、２４…トルク成分電流指令、２５…
界磁成分電流指令、２６…電流制御手段、３０…駆動信
号発生手段、３２…補正係数算出手段、３４…電圧補正
係数、３５…トルク成分電流補正手段、３６…界磁成分
電流補正手段、３７…補正トルク成分電流指令、３８…
補正界磁成分電流指令。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電力を変換して交流電動機に供給する
   電力変換手段と、前記交流電動機が発生すべきトルクの
   指令であるトルク指令値を演算するトルク演算手段と、
   前記交流電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、
   前記トルク指令値と前記電動機回転速度をもとに、前記
   交流電動機に与える電流をトルク制御成分Ｉｑと界磁制
   御成分Ｉｄを分離してベクトル制御演算し、前記交流電
   動機の電動機電圧を前記トルク制御成分と前記界磁制御
   成分により制御してなるものにおいて、 前記トルク制御成分と前記界磁制御成分は前記トルク指
   令値と前記電動機回転速度から演算するとともに、前記
   電源の電圧をもとに前記トルク制御成分と前記界磁制御
   成分を補正することを特徴とする電気車の制御装置。
2. 【請求項２】請求項１の記載において、前記交流電動機
   が回生制動を行っていると判断した場合は、前記電源の
   電圧をもとに前記トルク制御成分と前記界磁制御成分を
   回生制動トルクが向上するように補正することを特徴と
   した電気車の制御装置。
3. 【請求項３】請求項１の記載において、前記交流電動機
   が力行動作を行っていると判断した場合は、前記トルク
   指令と前記電動機回転速度によって前記トルク制御成分
   と前記界磁制御成分を調節することを特徴とする電気車
   の制御装置。
4. 【請求項４】請求項２の記載において、前記トルク制御
   成分と前記界磁制御成分は、前記電源の電圧を入力とし
   た任意の関数をもとに前記トルク制御成分と前記界磁制
   御成分の補正調節量を決めることを特徴とした電気車の
   制御装置。
5. 【請求項５】請求項２の記載において、回生制御時のト
   ルク指令値は、力行制御時のトルク指令値に対し大きく
   設定していることを特徴とした電気車の制御装置。
6. 【請求項６】請求項５の記載において、回生制御時のト
   ルク指令値は電源の電圧を入力とした任意の関数をもと
   に設定されることを特徴とした電気車の制御装置。