專利名稱：電車的車輪直徑計測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電車的車輪直徑計測裝置，特別是采用同步電動機的鐵路車輛或電動汽車等所使用的電車的車輪直徑計測裝置。
背景技術：
電車的車輪由于行駛中的磨損，在各車輪間會產生微小的直徑差，若設電動機的 轉矩為一定，則車輪直徑變小的車輪的視在加速度會變大。為了將這樣的視在加減速度有 變化的電車控制得穩定，以往根據各車輪的旋轉速度來推定車輪直徑，并實施校正。(例如 參照專利文獻1)另一方面，從小型化或提高可靠性、維護性的觀點而言，近年來，在用于電車的無 速度傳感器的矢量控制中，不使用檢測驅動電車的電動機的驅動軸的旋轉速度的速度傳感 器。因此，提出了在轉矩電流指令上升中或者下降中的預定時間推定旋轉速度，進行車輪直 徑校正。(例如參照專利文獻2)專利文獻1 日本專利特開昭60-210101號公報(圖1)專利文獻2 日本專利特開2005-312126號公報(第6頁、圖1)
發明內容
本發明要解決的問題在以往的用于車輪直徑校正的車輪直徑計測裝置中，是以對電車采用感應電動機 的情況為前提，特別是在無速度傳感器的矢量控制中，由于使用感應電動機特有的轉差頻 率來推定驅動軸的旋轉速度，因此例如在采用同步電動機的電車中，無法原封不動地使用。S卩，在由同步電動機驅動的無速度傳感器的矢量控制的電車中，存在的問題是不 能適用以往的車輪直徑推定方法，難以實現與采用感應電動機時同樣的電車控制。本發明是為解決如上所述的問題而完成的，其目的在于提供一種車輪直徑計測裝 置，該車輪直徑計測裝置特別是在采用同步電動機的無速度傳感器的矢量控制的電車中， 可以高精度地計測可以供車輪直徑校正的電車的車輪直徑。用于解決問題的方法本發明所涉及的電車的車輪直徑計測裝置，是計測包括同步電動機的電車的車輪 直徑的裝置，所述同步電動機由將直流電壓轉換為交流電壓的功率轉換器驅動，所述車輪 直徑計測裝置包括在所述功率轉換器停止的所述電車的慣性行駛中、檢測利用所述同步 電動機的磁場而產生的交流電壓的電壓檢測器；以及根據所述電車的速度信息和由所述電 壓檢測器檢測的交流電壓、計算由所述同步電動機驅動的車輪的車輪直徑的計算部。發明效果根據本發明的車輪直徑計測裝置，特別是在采用同步電動機的無速度傳感器的矢 量控制的電車中，由于可以高精度地計測車輪直徑，因此可以對電車進行穩定控制。
圖1是本發明的實施方式1所涉及的電車的車輪直徑計測裝置的結構圖。圖2是本發明的實施方式1所涉及的計算部的結構圖。圖3是本發明的實施方式1所涉及的偏移補償器的結構圖。圖4是表示本發明的實施方式1所涉及的偏移補償器的動作的動作圖。圖5是本發明的實施方式1所涉及的速度計算器的結構圖。圖6是本發明的實施方式1所涉及的車輪直徑計算器的結構圖。圖7是本發明的實施方式1所涉及的故障檢測器的結構圖。圖8是表示本發明的實施方式1所涉及的故障檢測器的動作的動作圖。圖9是本發明的實施方式2所涉及的車輪直徑計測裝置的計算部的結構圖。圖10是本發明的實施方式2所涉及的速度計算器的結構圖。圖11是本發明的實施方式2所涉及的故障檢測器的結構圖。圖12是本發明的實施方式3所涉及的電車的車輪直徑計測裝置的結構圖。圖13是本發明的實施方式3所涉及的計算部的結構圖。圖14是本發明的實施方式3所涉及的速度計算器的結構圖。圖15是本發明的實施方式3所涉及的故障檢測器的結構圖。圖16是本發明的實施方式3所涉及的電車的車輪直徑計測裝置的其他結構圖。圖17是本發明的實施方式4所涉及的電車的車輪直徑計測裝置的結構圖。圖18是本發明的實施方式4所涉及的車輪直徑校正部的結構圖。標號說明1功率轉換器，lu、lv、Iw連接端子，2同步電動機，2u、2v、2w連接端子，3、3a、3b車輪直徑計測裝置，4、4a、4b、4c電壓檢測器，5、5a、5b計算部，6導電弓，7a、7b車輪，8速度檢測器，9、9u、9v、9w布線，10、10a、IOb濾波器，20.20a.20b偏移補償器，21偏移量計算器，22停止判斷器，23停止時間計測器，24a,24b切換器，25積分器，26除法運算器，27減法運算器，30速度計算器，31 二次微分器，32除法運算器，33乘法運算器，34平方根器，35濾 波器，40車輪直徑計算器，41除法運算器，42乘法運算器，50 故障檢測器，51a、51b、51c、51d、51e 絕對值器，52、52a、52b 濾波器、53、53a、53b 取小比較器，54 取大比較器，55、55a、55b 與門(AND)器，60速度計算器，61a、61b 二次微分器，62乘法運算器，63乘法運算器，64平方根器，65濾波器，70故障檢測器，71取小比較器，80速度計算器，81 α β轉換器，82a、82b乘法運算器，83加法運算器，84平方根器，85除法運算器，90故障檢測器，91與門(AND)器，
100車輪直徑校正部，101除法運算器，102限制器，103乘法運算器，110控制器
具體實施例方式實施方式1. 下面，基于表示該實施方式的附圖來詳細說明本發明。圖1是表示本發明的實施方式1的電車的車輪直徑計測裝置的結構的結構圖。圖 1中，功率轉換器1將從導電弓6提供的直流電壓轉換為交流電壓，提供給同步電動機2。在 本實施方式中，同步電動機2是利用安裝在轉子的永磁體形成磁場的永磁同步電動機，但 不限于此。車輪直徑計測裝置3由檢測該功率轉換器1和同步電動機2的交流電壓的電 壓檢測器4 ；以及根據檢測的交流電壓來計算車輪直徑的計算部5構成。車輪7b是通過未圖示的車軸、齒輪與同步電動機2連接的驅動輪，車輪7a是不與 同步電動機2直接連接的非驅動輪，包括檢測該非驅動輪的速度的速度檢測器8。該速度檢 測器8例如在電車的情況下，也可以是設在起始車輛的駕駛臺的速度計用的用于計測車速 的速度檢測器、或設在不與同步電動機2連接的制動裝置或保護裝置的速度檢測器。功率轉換器1的交流側的U相、V相、W相的各連接端子111、1^1 ，利用布線9(由 9u.9v.9w構成)，與同步電動機2的U相、V相、W相的各連接端子2u、2v、2w連接。此處，電 壓檢測器4與功率轉換器的交流側的U相連接端子Iu和V相連接端子Iv連接，檢測施加 在同步電動機2的UV間的線電壓Vuv，但不限于此，電壓檢測器4只要檢測施加在同步電動 機2的線電壓即可。圖2是表示本發明的實施方式1的計算部5的結構的結構圖。如圖2所示，在計 算部5中，從電壓檢測器4輸入的線電壓Vuv首先輸入至濾波器10，去除明顯大于同步電動 機2的轉速的不需要的噪聲，成為輸出值Vuv-f。輸出值Vuv-f進一步被偏移補償器20去 除電壓檢測器4的偏移電壓的影響后，作為輸出值Vuv-of輸入至速度計算器30。然后，在 速度計算器30中，根據Vuv-of計算旋轉角頻率ω，將計算結果作為Vvf輸出至車輪直徑計 算器40。在車輪直徑計算器40中，根據該Vvf、和由速度檢測器8檢測的速度信息V，來計 算車輪直徑D。接下來，說明如上所述構成的車輪直徑計測裝置的動作。首先，在功率轉換器1停止的電車的慣性行駛中，利用電壓檢測器4，檢測利用安 裝在同步電動機2的轉子的永磁體形成磁場而產生的UV間的線電壓Vuv。在電車的情況 下，由于在功率轉換器1的動作中會產生轉矩，因此在驅動輪有時會產生微小的空轉和滑 行，為了高精度地計測車輪直徑，優選使功率轉換器1停止。由電壓檢測器4檢測的UV間的線電壓Vuv輸入至濾波器10，去除不需要的噪聲。 此處，濾波器10如圖2所示，可以由一階延遲的函數構成。此時，時間常數T設定為可以去 除同步電動機2的最高轉速的10倍以上的頻率。例如，在同步電動機2的最高轉速是300Hz 的情況下，濾波器10的時間常數T若設定為(1)式，則可以去除不需要的噪聲。數學式1<formula>formula see original document page 6</formula>
圖3是表示本發明的實施方式1的偏移補償器20的結構的結構圖。如圖3所示， 偏移補償器20由計算器21、停止判斷器22、停止時間計測器23構成，在輸入電壓為零時， 進行校正，使得輸出電壓為零。輸入有濾波器10的輸出值Vuv-f和速度信息V，在同步電動 機不旋轉時算出電壓檢測器4的平均偏移量ofav，通過將其平均偏移量ofav的量從Vuv_f 中減去，可以去除偏移量的影響。據此，可以去除電壓檢測器4的偏移電壓的影響，可以計 算準確的速度。圖4是表示本發明的實施方式1的偏移補償器20的動作的動作圖。下面，使用圖 3和圖4說明偏移補償器20的動作。首先，在進行偏移補償之前的狀態1中，如圖4所示輸入至偏移補償器20的電壓 值Vuv-f，由于電壓檢測器4的偏移的影響會上下不平衡。在該狀態下，圖3的切換器24a 的開關向0(零)側切換，積分器25、除法運算器26的輸出都成為零。停止判斷器22在速 度信息V不是零時，作為輸出值V22 = 0，輸出至切換器24a、24b、以及停止時間計測器23。 另外，在狀態1下，切換器24b的開關位于除法運算器26的輸出側。接下來，功率轉換器1停止，速度信息V緩緩下降，若達到速度信息V為零的狀態 2，則向停止判斷器22輸入速度信息V = 0，將輸出值V22 = 1輸出。然后，輸入有該輸出值 V22的切換器24a的開關從0 (零)側切換到輸入Vuv-f側，另一方面切換器24b的開關切 換到0(零)側。停止時間計測器23通過輸入V22 = 1，計測同步電動機停止的時間。作為計測停 止時間的方法的一個例子，由于向停止時間計測器23的輸入值為1，因此利用積分器進行 單純積分，若進行1秒的積分，則輸出為1。即，若輸入V22 = 1，則積分時間(同步電動機 的停止時間)和積分的輸出一致，可以計測停止時間。另一方面，通過切換器24a，輸入有Vuv_f的積分器25如圖4所示，輸入有電壓檢 測器4的偏移量，對其偏移量進行積分。該積分器25的輸出值V25輸入至除法運算器26， 通過將V25除以同樣輸入的停止時間計測器23的輸出值V23，可以算出停止時間內的平均 偏移量Ofav0并且，若同步電動機2旋轉，或者電車加速使速度信息V不為零，則停止判別器22 的輸出值V22從1變為0，移至圖4所示的狀態3。若移至狀態3，則如圖4所示，切換器24a 的開關返回0側，積分器25的輸入成為零，積分器25的輸出值V25繼續保持輸入成為零之 前的值。另外，同樣地，停止時間計測器23的輸出值V23也繼續保持計測的停止時間的值。 據此，在電車未停止時，平均偏移量ofav為一定值，切換器24b的開關從0 (零)側返回輸 入除法運算器26的輸出ofav側。然后，向切換器24b輸入平均偏移量ofav，利用減法運算 器27從電壓值Vuv-f減去平均偏移量ofav。因此，如圖4所示，對于偏移補償器20的輸出 電壓值Vuv-of，由于可以去除電壓檢測器4的偏移量的影響，正負的上下不平衡消失，因此 可以準確計算速度，可以高精度地計測車輪直徑。接下來，該Vuv-of輸入至速度計算器30和故障檢測器50。圖5是表示本發明的實 施方式1的速度計算器30的結構的結構圖。如圖5所示，輸入至速度計算器30的Vuv-of， 首先被二次微分器31進行二次微分，被除法運算器32除以原來的Vuv-of。據此，可以算出 Vuv-of 的速度[rad]。
使用下式說明其原理。若設振幅為A、設交流電壓的旋轉角頻率為ω [rad]，則偏移補償器20的輸出值Vuv-of可以如⑵式所示。另外，在(2)式中，關于電壓檢測器4的偏移量，考慮到可以利 用偏移補償器20去除，故為零。數學式2Vuv-of = Asin(ω · t) ... (2)將由(2)式表示的Vuv-of進行一次微分的(Vuv-of)’，可以如(3)式所示。數學式3(Vuv-of) ‘ = A · ω · cos(co · t) ... (3)接下來將由(3)式表示的(Vuv-of) ’再進行一次微分的(Vuv-of) ”、即二次微分器 31的輸出值，可以如(4)式所示。數學式4<formula>formula see original document page 8</formula>... (4)除法運算器32若使用上述⑵式和(4)式，則成為如(5)式所示，可以算出交流 電壓的旋轉角頻率ω的平方值。數學式5<formula>formula see original document page 8</formula>
該除法運算器32的輸出值輸入至乘法運算器33，通過乘以-1變為正的值，輸入至 平方根器34。然后，利用平方根器34，容易算出交流電壓的旋轉角頻率ω。此處，輸入至速度計算器30的電壓值Vuv-of被二次微分器31進行二次微分，但 由于是交流電壓，因此周期性地存在零，若對該零進行微分，則會成為無限大、或者在正負 方向成為較大的值。為了將其去除，由平方根器34算出的ω輸入至濾波器35，可以得到穩 定的交流電壓的旋轉角頻率ω分量，作為Vvf輸出。另外，若設濾波器35的時間常數為Τ2，則Τ2例如設定在計測的最低轉速以上即 可。即，若想計測IHz以上的轉速，則時間常數Τ2通過設定(6)式的值就可以穩定計測IHz 以上的轉速。數學式6<formula>formula see original document page 8</formula>
如上所述，在速度計算器30中，由于根據偏移補償器20的輸出值Vuv-of可以容 易計算交流電壓的旋轉角頻率ω，因此容易得知同步電動機2的轉速。該速度計算器30的 輸出值Vvf接下來輸入至車輪直徑計算器40。圖6是表示本發明的實施方式1的車輪直徑計算器40的結構的結構圖。如圖6 所示，在車輪直徑計算器40中，可以根據速度計算器30的輸出值Vvf和速度信息V來計算 電車的車輪直徑D。現在，若設速度信息V的單位是km/h，則表示同步電動機2的轉速的Vvf [rad] — 般滿足下面的關系，車輪直徑D[m]可以利用以下(8)式算出。
數學式7
<formula>formula see original document page 9</formula>數學式8
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，極對數Pm是同步電動機2的常數，齒輪比GR表示同步電動機2與通過車軸 以及齒輪連接的車輪8b的齒輪之比。由于該齒輪比根據電車的種類及性能設定而不同，極 對數Pm也根據同步電動機2的種類或性能而不同，因此如(9)式所示那樣定義系數K。據此，上述(8)式可以如(10)式所示那樣表示。數學式9系數K =極對數PmX齒輪比GR/3.6 …(9)數學式10車輪直徑D =系數KX速度信息/Vvf …(10)此處，車輪直徑計算器40實現上述(10)式，如圖6所示，輸入的速度信息V被除 法運算器41除以Vvf，輸入至乘法運算器42，乘以預先準備的系數K，從而可以計算車輪直徑D。另一方面，說明在圖2中輸入有偏移補償器20的輸出值Vuv-of、平均偏移量 ofav,以及速度信息V的故障檢測器50。在同步電動機2旋轉、速度信息V大于預定的值 時，若由電壓檢測器4檢測的進行了偏移補償的Vuv-of小于平均偏移量ofav，則該故障檢 測器50判斷為是電壓檢測器4的故障。圖7是表示本發明的實施方式1的故障檢測器50的結構的結構圖，圖8是表示本 發明的實施方式1的故障檢測器50的動作的動作圖。下面，使用圖7和圖8說明故障檢測 器50的動作。如圖7所示，輸入至故障檢測器50的Vuv-of，首先輸入至絕對值器51a，之后輸入 至濾波器52。在濾波器52中，由于其作用是將由絕對值器51a進行了整流處理的值轉換為 直流電壓，因此時間常數T3是充分慢的值即可，例如設定為(11)式的值即可。數學式11<formula>formula see original document page 9</formula>該濾波器52的輸出值V52如圖8所示，為直流電壓的值。S卩，此處求出交流電壓的 有效值。若同步電動機2旋轉，則利用安裝在轉子的永磁體形成磁場，產生交流電壓，但由 于該交流電壓是由電壓檢測器4檢測的，因此若同步電動機2旋轉，就可以檢測交流電壓。因此，在速度信息V大于預定的速度時，在交流電壓值的有效值、即濾波器52的輸 出值V52為零或者較小的值的情況下，可以判斷為是電壓檢測器4出現故障等的異常狀態。因此，將濾波器52的輸出值V52、和由絕對值器51b取平均偏移量ofav的絕對值 的值輸入至取小比較器53，在取小比較器53中比較這些值，若濾波器52的輸出值V52小于絕對值器51b的輸出值，則將輸出值V53 = 1輸出至與門(AND)器55;反之，若大于或相 同，則將輸出值V53 = O輸出至與門(AND)器55。另一方面，將輸入至故障檢測器50的速度信息V輸入至取大比較器54，與預定的速度VO比較。若速度信息V大于預定的速度V0，則取大比較器54將輸出值V54= 1輸出 至與門(AND)器55 ；反之，若小于或相同，則將輸出值V54 = 0輸出至與門(AND)器55。另 夕卜，對于取大比較器54比較的預定的速度V0，設定為最高速度的1/10左右的值即可。例 如，如果是最高速度為300km/h的電車，則設定為30km/h，若速度信息V超過30km/h，就進 行故障檢測。分別從取小比較器53和取大比較器54輸入有V53、V54的與門(AND)器55，在V53 =1、且V54= 1時，輸出異常檢測信號即Vuv-er。該異常檢測信號Vuv-er例如可以傳送 至駕駛臺的監視器裝置以通知有異常，也可以輸入至功率轉換器1的控制裝置，使電車停 止以確認電壓檢測器4或同步電動機2的狀態等。如以上說明那樣，實施方式1所涉及的車輪直徑計測裝置，在由同步電動機驅動 的無速度傳感器的矢量控制的電車中，能夠檢測利用同步電動機的磁場而產生的交流電 壓，而高精度地計測電車的車輪直徑。另外，通過包括電壓檢測器的故障檢測器，具有的效 果是可以得到可靠性更高的電車的車輪直徑計測裝置。并且，由于將由實施方式1所涉及的車輪直徑計測裝置得到的車輪直徑D供車輪 直徑校正，從而可以與各車輪的車輪直徑差相應地進行校正，因此能夠以與以往的采用感 應電動機時同等的高精度對電車進行控制。另外，也可以使用由本申請的車輪直徑計測裝 置得到的車輪直徑D，測定車輪的磨損程度，判斷車輪是否更換。另外，也可以將計測的值作 為電車的管理信息，傳送給駕駛臺的監視器裝置或車上列車控制裝置、綜合系統等遍布電 車內的通信網、以及車站等的運行管理系統等。實施方式2.實施方式2的車輪直徑計測裝置3與實施方式1相同，由檢測功率轉換器1和同 步電動機2的交流電壓的電壓檢測器4;以及根據檢測的交流電壓來計算車輪直徑的計算 部5(實施方式2中為5a)構成，與實施方式1的不同之處在于，在計算部5a中，速度計算 器實施2次二次微分(即四次微分)。據此，由于去除了電壓檢測器的偏移的影響，因此成 為不需要偏移補償器的結構。另外，在與實施方式1同一部分標注相同的標記，省略其說明。圖9是表示本發明的實施方式2的計算部5a的結構的結構圖。 在實施方式2的計算部5a中，從電壓檢測器4輸入的線電壓Vuv首先輸入至濾波 器10，去除明顯大于同步電動機2的轉速的不需要的噪聲，成為輸出值Vuv-f。然后，輸出 值Vuv-f輸入至速度計算器60。圖10是表示本發明的實施方式2的速度計算器60的結構的結構圖。下面，使用 圖10說明該速度計算器60的動作。首先，若設振幅為A、設交流電壓的旋轉角頻率為《[1^(1]、設偏移量為13，則從濾 波器10輸入的Vuv-f可以如(12)式表示。數學式12Vuv-of = Asin(ω · t)+b ...(12)
此處，發明人發現了將由上述(12)式表示的Vuv-f進行一次微分的(Vuv-f)’，如 下述(13)式那樣去除了偏移量b。數學式13<formula>formula see original document page 11</formula>將由上述(13)式表示的(Vuv-f)，再進行一次微分的(Vuv-f) ”，可以如(14)式 所示。即，(14)式是將Vuv-f進行了二次微分，相當于圖10所示的二次微分器61a的輸出 值。然后，該值去除了偏移量。數學式14<formula>formula see original document page 11</formula>該二次微分器61a的輸出值(Vuv-f) ”輸入至二次微分器61b和除法運算器62，在 二次微分器61b中進一步進行二次微分，成為如(16)式表示的(Vuv-f)””。數學式15<formula>formula see original document page 11</formula>
數學式16<formula>formula see original document page 11</formula>在輸入有二次微分器61a的輸出值(Vuv-f) ”、二次微分器61b的輸出值 (Vuv-f)””的除法運算器62中，通過如(17)式所示將其相除，可以計算交流電壓的旋轉角 頻率ω的平方值。數學式17
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wiiV"eff J.-φ1ι “一、<formula>formula see original document page 11</formula>
以后，與實施方式1相同，輸入至乘法運算器63，通過乘以-1變為正的值，輸入至 平方根器64。然后，利用平方根器64，可以容易算出交流電壓的旋轉角頻率ω。接下來，說明在圖9中輸入有濾波器10的輸出值Vuv-f、以及速度信息V的故障檢 測器70。圖11是表示本發明的實施方式2的故障檢測器70的結構的結構圖。下面，使用 圖11說明該故障檢測器70的動作。如圖11所示，與實施方式1的故障檢測器50的不同之處僅在于，在取小比較器71 中與電壓檢測值Vuv-f的有效值比較的值是零。在圖11中，輸入至故障檢測器70的濾波器10的輸出值Vuv-f，首先輸入至絕對值 器51c，之后輸入至濾波器52。在濾波器52中，由于與實施方式1同樣，將由絕對值器51c 進行了整流處理的值轉換為直流電壓，因此時間常數T3是充分慢的值即可，例如設定為如 上述(11)式的值即可。該濾波器52的輸出值V52是交流電壓的有效值，輸入至取小比較器71。在取小 比較器71中，若濾波器52的輸出值V52小于零，則將輸出值V71 = 1輸出至與門(AND)器 55;反之，若大于或相同，則將輸出值V71 = 0輸出至與門(AND)器55。因此，此處，在交流 電壓的有效值成為零時進行異常檢測，但取小比較器71的進行比較的值不限于此，也可以 是充分小于某一電壓的預定的值，該電壓是在輸入至取大比較器54的預定的速度VO下利用安裝在轉子的永磁體的磁場產生的電壓。分別從取小比較器71和取大比較器54輸入有V71、V54的與門(AND)器55與實 施方式1相同，在V53 = 1、且V54 = 1時，輸出異常檢測信號即Vuv-er，檢測異常。如以上說明那樣，實施方式2所涉及的車輪直徑計測裝置，在由同步電動機驅動 的無速度傳感器的矢量控制的電車中，通過具有實施2次微分計算的速度計算器，不使用 偏移補償器就可以去除電壓檢測器的偏移量的影響，與實施方式1相比，可以得到元器件 數量減少的、可靠性較高的電車的車輪直徑計測裝置。實施方式3.圖12是表示本發明的實施方式3的車輪直徑計測裝置的結構的結構圖。在本實 施方式3中，與實施方式1的不同之處在于，車輪直徑計測裝置3由包括2個檢測該功率 轉換器1和同步電動機2的交流電壓的電壓檢測器4a、4b ；以及根據從這2個電壓檢測器 4a、4b檢測的交流電壓來計算車輪直徑的計算部5b構成。另外，在與實施方式1同一部分標注相同的標記，省略其說明。如圖12所示，首先，與實施方式1相同，在功率轉換器1停止的電車的慣性行駛 中，利用電壓檢測器4a、4b，檢測利用安裝在同步電動機2的轉子的永磁體形成磁場而產生 的UV間、以及UW間的線電壓Vuv、Vw。然后，檢測的線電壓Vuv、Vvw輸入至計算部5b。圖13是表示本發明的實施方式3的計算部5b的結構的結構圖。如圖13所示， 輸入的線電壓VUV、VVW分別輸入至濾波器10a、10b，去除不需要的噪聲后，分別作為輸出值 Vuv-f、Vw-f，輸出至偏移補償器20a、20b。在偏移補償器20a、20b中，與實施方式1相同， 分別計算去除了電壓檢測器4a、4b的偏移量的值Vuv-of、Vvw-of，輸出至速度計算器80。圖14是表示本發明的實施方式3的速度計算器80的結構的結構圖。下面，使用 圖14說明該速度計算器80的動作。首先，輸入至速度計算器80的Vuv-of、Vvw-of,被α β轉換器81分別轉換為如
(18)式表示的Va、νβ。數學式18yii 0 s…膽，此處，若設安裝在同步電動機2的轉子的永磁體的磁通為Oa、設同步電動機2的 轉速為Vvf，則上述(18)式的Vci、Vi3如下面(19)式所示。數學式19(則由于可以預先掌握安裝在同步電動機2的轉子的永磁體的磁通Φ&，因此若使用
(19)，則表示同步電動機2的轉速的Vvf可以如(20)式所示那樣計算。數學式2O
如圖14所示，從α β轉換器81輸出的Va、νβ分別輸入至乘法運算器82a、82b 并進行了平方后，輸入至加法運算器83以及平方根器84，進行上述(19)式的右邊的計算。 該結果輸入至除法運算器85，與預先準備的永磁體的磁通Oa相除，計算上述(20)式。其 結果是，作為除法運算器85的輸出，可以得到表示同步電動機2的轉速的Vvf。如上所述，由速度計算器80計算的Vvf如圖13所示輸入至車輪直徑計算器40后， 與實施方式1相同，可以得到電車的車輪直徑D。
另一方面，說明在圖13中輸入有2個偏移補償器20a、20b的輸出值Vuv-of、 Vw-of、平均偏移量ofavl、ofav2,以及速度信息V的故障檢測器90。該故障檢測器90雖 然可檢測2個電壓檢測器4a、4b為異常的情況，但由于2個電壓檢測檢測器4a、4b同時出 現故障的可能性較低，因此對異常檢測Vuv-er和Vvw-er這兩者進行檢測，來檢測同步電動 機2、或者電壓檢測器4a、4b中的哪一方為異常。圖15是表示本發明的實施方式3的故障檢測器90的結構的結構圖。下面，使用 圖15說明該故障檢測器90的動作。輸入至故障檢測器90的Vuv-of，首先輸入至絕對值器51a，之后輸入至濾波器 52a。在濾波器52a中，由于與實施方式1同樣，將由絕對值器51a進行了整流處理的值轉 換為直流電壓，因此時間常數T3是充分慢的值即可，例如設定為如上述(11)式的值即可。將該濾波器52a的輸出值、和由絕對值器51b取平均偏移量ofav的絕對值的值輸 入至取小比較器53a。在取小比較器53a中，比較這些值，若濾波器52a的輸出值小于絕對 值器51b的輸出值，則將輸出值V53a = 1輸出至與門(AND)器55a ；反之，若大于或相同， 則將輸出值V53a = 0輸出至與門(AND)器55a。對于VW間的Vw-of也進行同樣的計算，從取小比較器53b將輸出值V53b = 1、或 者V53b = 0向與門(AND)器55b輸出。另外，與實施方式2相同，在取小比較器53a、53b 進行比較的值，可以不是取平均偏移量ofav的絕對值的值，也可以是零。另一方面，將輸入至故障檢測器90的速度信息V輸入至取大比較器54，與預定的 速度VO比較。若速度信息V大于預定的速度V0，則取大比較器54將輸出值V54= 1輸出 至與門(AND)器55a、55b ；反之，若小于或相同，則將輸出值V54 = 0輸出至與門(AND)器 55a、55b。另外，在取大比較器54進行比較的預定的速度VO與實施方式1相同，例如設定 為最高速度的1/10左右的值即可，如果是最高速度為300km/h的電車，則設定為30km/h，若 速度信息V超過30km/h，就進行故障檢測。與門(AND)器55a、55b分別與實施方式1時相同，在V53a = 1、且V54 = 1時，向 與門(AND)器91輸出異常檢測信號即Vuv-er ；在V53b = 1、且V54 = 1時，向與門(AND) 器91輸出Vvwer0另外，異常檢測信號Vuv-er, Vvwer除與門(AND)器91以外，例如也 可以傳送至駕駛臺的監視器裝置以通知有異常，也可以輸入至功率轉換器1的控制裝置， 使電車停止以確認電壓檢測器4或同步電動機2的狀態等。另外，在與門(AND)器91中，當輸入有Vuv-er和Vw_er兩者時，檢測同步電動機 2、或者電壓檢測器4a、4b中的哪一方為異常，輸出V-er。即，由于安裝在同步電動機2的轉子的永磁體去磁或者脫落，則即使在較高的速度下也不產生電壓，可以根據2個電壓檢測器為異常來掌握該狀態，因此可以檢測作為同步電動機2的異常。如以上說明那樣，實施方式3所涉及的車輪直徑計測裝置，在由同步電動機驅動 的無速度傳感器的矢量控制的電車中，通過包括檢測同步電動機產生的兩處的交流電壓的 2個電壓檢測器，在計算部不進行復雜的微分計算處理，僅通過簡單的計算就可以計算電車 的車輪直徑。因此，與上述實施方式1、實施方式2比較，由于可以大幅削減例如構成裝置的 電路的元器件數量等，因此可以得到裝置結構簡單、可靠性較高的車輪直徑計測裝置。并且，由于對各電壓檢測器具有故障檢測機，可以檢測各個故障，并且可以利用來 自這2個故障檢測器的信息，來檢測同步電動機自身的異常，具有的效果是在同步電動機 和2個電壓檢測器產生異常時，可以分別快速處理，得到可靠性更高的電車的車輪直徑計 測裝置。另外，圖12所示的電壓檢測器4a、4b，檢測的是連接于功率轉換器的交流側的U相 連接端子Iu和V相連接端子Iv及V相連接端子Iv和W相連接端子lw、施加在同步電動機 2的UV間的線電壓Vuv及VW間的線電壓Vw，但不限于此，電壓檢測器4只要能檢測施加 在同步電動機2的不同的2個線電壓即可。另外，也可以安裝在同步電動機2的交流側的 連接端子，這是毋庸置疑的。因此，例如如圖16所示，在電壓檢測器3a設在功率轉換器1側的端子、電壓檢測 器3b設在同步電動機2側的端子時，不必如圖12所示的電壓檢測器那樣在1相的連接端 子安裝2個電壓檢測器，具有可以提高安裝操作效率的效果。實施方式4.圖17是表示本發明的實施方式4的車輪直徑計測裝置的結構的結構圖。在實施 方式4中，除實施方式1的結構外，還追加有車輪直徑校正部100，可以使用由車輪直徑計測 裝置3b的計算部5計算的車輪直徑D，根據車輪直徑差來校正控制功率轉換器1的轉矩指 令。另外，在與實施方式1同一部分標注相同的標記，省略其說明。如圖17所示，本實施方式4所涉及的電車的車輪直徑計測裝置3b中，由計算部5 計算的車輪直徑D輸入至車輪直徑校正部100，生成考慮到車輪直徑差的轉矩指令TRD，輸 入至控制功率轉換器1的控制器110。圖18是表示本發明的實施方式4的車輪直徑校正部100的結構的結構圖。下面， 使用圖18說明該車輪直徑校正部100的動作。車輪直徑校正部100如圖18所示，由將車輪直徑D除以基準車輪直徑DIAST、計 算車輪直徑校正增益DIAG的除法運算器101 ；使除法運算器101的輸出即車輪直徑校正增 益DIAG不會為最小車輪直徑校正增益DIAGMI以下、最大車輪直徑校正增益DIAGMX以上的 限制器102 ；以及對限制器102的輸出即車輪直徑校正增益DIAGR乘以轉矩指令TR的乘法 運算器103構成。在除法運算器101中，進行以下(21)式的計算。數學式21<formula>formula see original document page 14</formula>
另外，基準車輪直徑DIAST通常設定為0. 82 [m]。另外，發明人發現了，電車的車輪直徑D無論在什么樣的電車的運轉條件下都處于0. 73m ^ D ^ 0. 90m的范圍內。因此，除法運算器101計算的輸出即車輪直徑增益DIAG輸入至限制器102，進行以下的處理。在最小車輪直徑校正增益DIAGMI <車輪直徑增益DIAG <最大車輪直徑校正增益 DIAGMX的情況下，設限制器102的輸出值DIAGR為車輪直徑增益DIAG。在最小車輪直徑校正增益DIAGMI >車輪直徑增益DIAG的情況下，設限制器102 的輸出值DIAGR為最小車輪直徑校正增益DIAGMI。在車輪直徑增益DIAG >最大車輪直徑校正增益DIAGMX的情況下，設限制器102 的輸出值DIAGR為最大車輪直徑校正增益DIAGMX。此處，由于車輪直徑D是在0. 73m≤車輪直徑D≤0. 90m的范圍內，因此最大車輪 直徑校正增益DIAGMX例如取1以上、1. 1( = 0. 90/0. 82)以下的值即可；同樣，由于車輪直 徑D是在0. 73m ≤車輪直徑D≤90m的范圍內，因此最小車輪直徑校正增益DIAGMI例如 取0. 9( = 0. 73/0. 82)以上、1以下的值即可。利用該限制器102，不會出現用無法想象的增益進行校正的情況，可以提高轉矩指 令控制的可靠性。限制器102的輸出值DIAGR、以及從駕駛臺等提供的轉矩指令TR輸入至乘法運算 器103，并進行相乘。其結果是，生成考慮到車輪直徑差的轉矩指令TRD，輸出至控制器110。 即，由于與各個車輪直徑相應的轉矩指令TRD輸入至控制器110，因此在控制器110中，例如 可以利用已知的帶車輪直徑校正的矢量控制等來控制功率轉換器1。如以上說明那樣，實施方式4所涉及的電車的車輪直徑計測裝置，在由同步電動 機驅動的無速度傳感器的矢量控制的電車中，由于除實施方式1的結構外，還追加了車輪 直徑校正部，因此通過將由計算部計算的車輪直徑D輸入至車輪直徑校正部，可以根據車 輪直徑差來校正控制功率轉換器的轉矩指令。即，由于可以對由同步電動機驅動的無速度 傳感器的矢量控制進行電車的車輪直徑校正，因此電車的加減速控制可以更穩定，使電車 的行駛更加舒適。另外，上述本實施方式4中說明的車輪直徑計測裝置3是基于實施方式1的車輪 直徑計測裝置，但不限于此，基于實施方式2以及實施方式3的車輪直徑計測裝置也能得到 同樣的效果，這是毋庸質疑的。
權利要求
一種電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于，包括由將直流電壓轉換為交流電壓的功率轉換器驅動的同步電動機，所述車輪直徑計測裝置包括在所述功率轉換器停止的所述電車的慣性行駛中、檢測利用所述同步電動機的磁場而產生的交流電壓的電壓檢測器；以及根據所述電車的速度信息和由所述電壓檢測器檢測的交流電壓、計算由所述同步電動機驅動的車輪的車輪直徑的計算部。
2.如權利要求1所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述計算部包括檢測不由所述同步電動機直接驅動的非驅動軸的速度的速度檢測器；以及 將所述速度檢測器的檢測值與預定的值比較、檢測所述電壓檢測器的故障的故障檢測器
3.如權利要求1所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述計算部包括速度計算器，所述速度計算器從由所述電壓檢測器檢測的交流電壓去除偏移電壓，算出旋轉角速度。
4.如權利要求1所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述計算部包括偏移補償器，所述偏移補償器在所述同步電動機不旋轉的期間算出所述電壓檢測器的平均偏移量， 從由所述電壓檢測器檢測的交流電壓去除所述平均偏移量。
5.如權利要求1所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述計算部包括速度計算器，所述速度計算器對由所述電壓檢測器檢測的交流電壓進行微分計算處理，去除所述電 壓檢測器的偏移電壓。
6.如權利要求1所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于，所述電壓檢測器包括檢測施加在所述同步電動機的不同的兩處的線電壓的第一電壓 檢測器、第二電壓檢測器，所述計算部根據所述電車的速度信息、和由所述第一電壓檢測器以及所述第二電壓檢 測器檢測的交流電壓，計算由所述同步電動機驅動的車輪的車輪直徑。
7.如權利要求6所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述計算部包括第一故障檢測器以及第二故障檢測器，所述第一故障檢測器以及所述第二故障檢測器分別比較所述第一電壓檢測器以及所 述第二電壓檢測器的檢測值與預定的值，分別檢測所述第一電壓檢測器以及所述第二電壓 檢測器的異常。
8.如權利要求7所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于，所述計算部基于所述第一故障檢測器以及所述第二故障檢測器的輸出，檢測所述同步 電動機、或者所述第一電壓檢測器、或者所述第二電壓檢測器的異常。
9.如權利要求1至8中任一項所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于，包括車輪直徑校正部，所述車輪直徑校正部根據所述計算部計算的車輪直徑，校正用于控制所述功率轉換器的轉矩指令值。
10.如權利要求9所述的電車的車輪直徑計測裝置，其特征在于， 所述車輪直徑校正部包括限制器，所述限制器將所述計算部計算的車輪直徑除以基準 車輪直徑的車輪直徑校正增益，控制在預定的范圍內。
全文摘要
本發明得到一種計測采用同步電動機的無速度傳感器的矢量控制的電車的車輪直徑的車輪直徑計測裝置。電車的車輪直徑計測裝置，包括由將直流電壓轉換為交流電壓的功率轉換器驅動的同步電動機，其中，包括在所述功率轉換器停止的所述電車的慣性行駛中、檢測利用所述同步電動機的磁場而產生的交流電壓的電壓檢測器；以及根據所述電車的速度信息和由所述電壓檢測器檢測的交流電壓、計算由所述同步電動機驅動的車輪的車輪直徑的計算部。
文檔編號B60L3/00GK101821147SQ200780101148
公開日2010年9月1日 申請日期2007年10月18日 優先權日2007年10月18日
發明者北中英俊, 河野雅樹 申請人:三菱電機株式會社