专利名称：电车的车轮直径计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电车的车轮直径计测装置，特别是采用同步电动机的铁路车辆或电动汽车等所使用的电车的车轮直径计测装置。
背景技术：
电车的车轮由于行驶中的磨损，在各车轮间会产生微小的直径差，若设电动机的 转矩为一定，则车轮直径变小的车轮的视在加速度会变大。为了将这样的视在加减速度有 变化的电车控制得稳定，以往根据各车轮的旋转速度来推定车轮直径，并实施校正。(例如 参照专利文献1)另一方面，从小型化或提高可靠性、维护性的观点而言，近年来，在用于电车的无 速度传感器的矢量控制中，不使用检测驱动电车的电动机的驱动轴的旋转速度的速度传感 器。因此，提出了在转矩电流指令上升中或者下降中的预定时间推定旋转速度，进行车轮直 径校正。(例如参照专利文献2)专利文献1 日本专利特开昭60-210101号公报(图1)专利文献2 日本专利特开2005-312126号公报(第6页、图1)
发明内容
本发明要解决的问题在以往的用于车轮直径校正的车轮直径计测装置中，是以对电车采用感应电动机 的情况为前提，特别是在无速度传感器的矢量控制中，由于使用感应电动机特有的转差频 率来推定驱动轴的旋转速度，因此例如在采用同步电动机的电车中，无法原封不动地使用。S卩，在由同步电动机驱动的无速度传感器的矢量控制的电车中，存在的问题是不 能适用以往的车轮直径推定方法，难以实现与采用感应电动机时同样的电车控制。本发明是为解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种车轮直径计测装 置，该车轮直径计测装置特别是在采用同步电动机的无速度传感器的矢量控制的电车中， 可以高精度地计测可以供车轮直径校正的电车的车轮直径。用于解决问题的方法本发明所涉及的电车的车轮直径计测装置，是计测包括同步电动机的电车的车轮 直径的装置，所述同步电动机由将直流电压转换为交流电压的功率转换器驱动，所述车轮 直径计测装置包括在所述功率转换器停止的所述电车的惯性行驶中、检测利用所述同步 电动机的磁场而产生的交流电压的电压检测器；以及根据所述电车的速度信息和由所述电 压检测器检测的交流电压、计算由所述同步电动机驱动的车轮的车轮直径的计算部。发明效果根据本发明的车轮直径计测装置，特别是在采用同步电动机的无速度传感器的矢 量控制的电车中，由于可以高精度地计测车轮直径，因此可以对电车进行稳定控制。
图1是本发明的实施方式1所涉及的电车的车轮直径计测装置的结构图。图2是本发明的实施方式1所涉及的计算部的结构图。图3是本发明的实施方式1所涉及的偏移补偿器的结构图。图4是表示本发明的实施方式1所涉及的偏移补偿器的动作的动作图。图5是本发明的实施方式1所涉及的速度计算器的结构图。图6是本发明的实施方式1所涉及的车轮直径计算器的结构图。图7是本发明的实施方式1所涉及的故障检测器的结构图。图8是表示本发明的实施方式1所涉及的故障检测器的动作的动作图。图9是本发明的实施方式2所涉及的车轮直径计测装置的计算部的结构图。图10是本发明的实施方式2所涉及的速度计算器的结构图。图11是本发明的实施方式2所涉及的故障检测器的结构图。图12是本发明的实施方式3所涉及的电车的车轮直径计测装置的结构图。图13是本发明的实施方式3所涉及的计算部的结构图。图14是本发明的实施方式3所涉及的速度计算器的结构图。图15是本发明的实施方式3所涉及的故障检测器的结构图。图16是本发明的实施方式3所涉及的电车的车轮直径计测装置的其他结构图。图17是本发明的实施方式4所涉及的电车的车轮直径计测装置的结构图。图18是本发明的实施方式4所涉及的车轮直径校正部的结构图。标号说明1功率转换器，lu、lv、Iw连接端子，2同步电动机，2u、2v、2w连接端子，3、3a、3b车轮直径计测装置，4、4a、4b、4c电压检测器，5、5a、5b计算部，6导电弓，7a、7b车轮，8速度检测器，9、9u、9v、9w布线，10、10a、IOb滤波器，20.20a.20b偏移补偿器，21偏移量计算器，22停止判断器，23停止时间计测器，24a,24b切换器，25积分器，26除法运算器，27减法运算器，30速度计算器，31 二次微分器，32除法运算器，33乘法运算器，34平方根器，35滤 波器，40车轮直径计算器，41除法运算器，42乘法运算器，50 故障检测器，51a、51b、51c、51d、51e 绝对值器，52、52a、52b 滤波器、53、53a、53b 取小比较器，54 取大比较器，55、55a、55b 与门(AND)器，60速度计算器，61a、61b 二次微分器，62乘法运算器，63乘法运算器，64平方根器，65滤波器，70故障检测器，71取小比较器，80速度计算器，81 α β转换器，82a、82b乘法运算器，83加法运算器，84平方根器，85除法运算器，90故障检测器，91与门(AND)器，
100车轮直径校正部，101除法运算器，102限制器，103乘法运算器，110控制器
具体实施例方式实施方式1. 下面，基于表示该实施方式的附图来详细说明本发明。图1是表示本发明的实施方式1的电车的车轮直径计测装置的结构的结构图。图 1中，功率转换器1将从导电弓6提供的直流电压转换为交流电压，提供给同步电动机2。在 本实施方式中，同步电动机2是利用安装在转子的永磁体形成磁场的永磁同步电动机，但 不限于此。车轮直径计测装置3由检测该功率转换器1和同步电动机2的交流电压的电 压检测器4 ；以及根据检测的交流电压来计算车轮直径的计算部5构成。车轮7b是通过未图示的车轴、齿轮与同步电动机2连接的驱动轮，车轮7a是不与 同步电动机2直接连接的非驱动轮，包括检测该非驱动轮的速度的速度检测器8。该速度检 测器8例如在电车的情况下，也可以是设在起始车辆的驾驶台的速度计用的用于计测车速 的速度检测器、或设在不与同步电动机2连接的制动装置或保护装置的速度检测器。功率转换器1的交流侧的U相、V相、W相的各连接端子111、1^1 ，利用布线9(由 9u.9v.9w构成)，与同步电动机2的U相、V相、W相的各连接端子2u、2v、2w连接。此处，电 压检测器4与功率转换器的交流侧的U相连接端子Iu和V相连接端子Iv连接，检测施加 在同步电动机2的UV间的线电压Vuv，但不限于此，电压检测器4只要检测施加在同步电动 机2的线电压即可。图2是表示本发明的实施方式1的计算部5的结构的结构图。如图2所示，在计 算部5中，从电压检测器4输入的线电压Vuv首先输入至滤波器10，去除明显大于同步电动 机2的转速的不需要的噪声，成为输出值Vuv-f。输出值Vuv-f进一步被偏移补偿器20去 除电压检测器4的偏移电压的影响后，作为输出值Vuv-of输入至速度计算器30。然后，在 速度计算器30中，根据Vuv-of计算旋转角频率ω，将计算结果作为Vvf输出至车轮直径计 算器40。在车轮直径计算器40中，根据该Vvf、和由速度检测器8检测的速度信息V，来计 算车轮直径D。接下来，说明如上所述构成的车轮直径计测装置的动作。首先，在功率转换器1停止的电车的惯性行驶中，利用电压检测器4，检测利用安 装在同步电动机2的转子的永磁体形成磁场而产生的UV间的线电压Vuv。在电车的情况 下，由于在功率转换器1的动作中会产生转矩，因此在驱动轮有时会产生微小的空转和滑 行，为了高精度地计测车轮直径，优选使功率转换器1停止。由电压检测器4检测的UV间的线电压Vuv输入至滤波器10，去除不需要的噪声。 此处，滤波器10如图2所示，可以由一阶延迟的函数构成。此时，时间常数T设定为可以去 除同步电动机2的最高转速的10倍以上的频率。例如，在同步电动机2的最高转速是300Hz 的情况下，滤波器10的时间常数T若设定为(1)式，则可以去除不需要的噪声。数学式1<formula>formula see original document page 6</formula>
图3是表示本发明的实施方式1的偏移补偿器20的结构的结构图。如图3所示， 偏移补偿器20由计算器21、停止判断器22、停止时间计测器23构成，在输入电压为零时， 进行校正，使得输出电压为零。输入有滤波器10的输出值Vuv-f和速度信息V，在同步电动 机不旋转时算出电压检测器4的平均偏移量ofav，通过将其平均偏移量ofav的量从Vuv_f 中减去，可以去除偏移量的影响。据此，可以去除电压检测器4的偏移电压的影响，可以计 算准确的速度。图4是表示本发明的实施方式1的偏移补偿器20的动作的动作图。下面，使用图 3和图4说明偏移补偿器20的动作。首先，在进行偏移补偿之前的状态1中，如图4所示输入至偏移补偿器20的电压 值Vuv-f，由于电压检测器4的偏移的影响会上下不平衡。在该状态下，图3的切换器24a 的开关向0(零)侧切换，积分器25、除法运算器26的输出都成为零。停止判断器22在速 度信息V不是零时，作为输出值V22 = 0，输出至切换器24a、24b、以及停止时间计测器23。 另外，在状态1下，切换器24b的开关位于除法运算器26的输出侧。接下来，功率转换器1停止，速度信息V缓缓下降，若达到速度信息V为零的状态 2，则向停止判断器22输入速度信息V = 0，将输出值V22 = 1输出。然后，输入有该输出值 V22的切换器24a的开关从0 (零)侧切换到输入Vuv-f侧，另一方面切换器24b的开关切 换到0(零)侧。停止时间计测器23通过输入V22 = 1，计测同步电动机停止的时间。作为计测停 止时间的方法的一个例子，由于向停止时间计测器23的输入值为1，因此利用积分器进行 单纯积分，若进行1秒的积分，则输出为1。即，若输入V22 = 1，则积分时间(同步电动机 的停止时间)和积分的输出一致，可以计测停止时间。另一方面，通过切换器24a，输入有Vuv_f的积分器25如图4所示，输入有电压检 测器4的偏移量，对其偏移量进行积分。该积分器25的输出值V25输入至除法运算器26， 通过将V25除以同样输入的停止时间计测器23的输出值V23，可以算出停止时间内的平均 偏移量Ofav0并且，若同步电动机2旋转，或者电车加速使速度信息V不为零，则停止判别器22 的输出值V22从1变为0，移至图4所示的状态3。若移至状态3，则如图4所示，切换器24a 的开关返回0侧，积分器25的输入成为零，积分器25的输出值V25继续保持输入成为零之 前的值。另外，同样地，停止时间计测器23的输出值V23也继续保持计测的停止时间的值。 据此，在电车未停止时，平均偏移量ofav为一定值，切换器24b的开关从0 (零)侧返回输 入除法运算器26的输出ofav侧。然后，向切换器24b输入平均偏移量ofav，利用减法运算 器27从电压值Vuv-f减去平均偏移量ofav。因此，如图4所示，对于偏移补偿器20的输出 电压值Vuv-of，由于可以去除电压检测器4的偏移量的影响，正负的上下不平衡消失，因此 可以准确计算速度，可以高精度地计测车轮直径。接下来，该Vuv-of输入至速度计算器30和故障检测器50。图5是表示本发明的实 施方式1的速度计算器30的结构的结构图。如图5所示，输入至速度计算器30的Vuv-of， 首先被二次微分器31进行二次微分，被除法运算器32除以原来的Vuv-of。据此，可以算出 Vuv-of 的速度[rad]。
使用下式说明其原理。若设振幅为A、设交流电压的旋转角频率为ω [rad]，则偏移补偿器20的输出值Vuv-of可以如⑵式所示。另外，在(2)式中，关于电压检测器4的偏移量，考虑到可以利 用偏移补偿器20去除，故为零。数学式2Vuv-of = Asin(ω · t) ... (2)将由(2)式表示的Vuv-of进行一次微分的(Vuv-of)’，可以如(3)式所示。数学式3(Vuv-of) ‘ = A · ω · cos(co · t) ... (3)接下来将由(3)式表示的(Vuv-of) ’再进行一次微分的(Vuv-of) ”、即二次微分器 31的输出值，可以如(4)式所示。数学式4<formula>formula see original document page 8</formula>... (4)除法运算器32若使用上述⑵式和(4)式，则成为如(5)式所示，可以算出交流 电压的旋转角频率ω的平方值。数学式5<formula>formula see original document page 8</formula>
该除法运算器32的输出值输入至乘法运算器33，通过乘以-1变为正的值，输入至 平方根器34。然后，利用平方根器34，容易算出交流电压的旋转角频率ω。此处，输入至速度计算器30的电压值Vuv-of被二次微分器31进行二次微分，但 由于是交流电压，因此周期性地存在零，若对该零进行微分，则会成为无限大、或者在正负 方向成为较大的值。为了将其去除，由平方根器34算出的ω输入至滤波器35，可以得到稳 定的交流电压的旋转角频率ω分量，作为Vvf输出。另外，若设滤波器35的时间常数为Τ2，则Τ2例如设定在计测的最低转速以上即 可。即，若想计测IHz以上的转速，则时间常数Τ2通过设定(6)式的值就可以稳定计测IHz 以上的转速。数学式6<formula>formula see original document page 8</formula>
如上所述，在速度计算器30中，由于根据偏移补偿器20的输出值Vuv-of可以容 易计算交流电压的旋转角频率ω，因此容易得知同步电动机2的转速。该速度计算器30的 输出值Vvf接下来输入至车轮直径计算器40。图6是表示本发明的实施方式1的车轮直径计算器40的结构的结构图。如图6 所示，在车轮直径计算器40中，可以根据速度计算器30的输出值Vvf和速度信息V来计算 电车的车轮直径D。现在，若设速度信息V的单位是km/h，则表示同步电动机2的转速的Vvf [rad] — 般满足下面的关系，车轮直径D[m]可以利用以下(8)式算出。
数学式7
<formula>formula see original document page 9</formula>数学式8
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，极对数Pm是同步电动机2的常数，齿轮比GR表示同步电动机2与通过车轴 以及齿轮连接的车轮8b的齿轮之比。由于该齿轮比根据电车的种类及性能设定而不同，极 对数Pm也根据同步电动机2的种类或性能而不同，因此如(9)式所示那样定义系数K。据此，上述(8)式可以如(10)式所示那样表示。数学式9系数K =极对数PmX齿轮比GR/3.6 …(9)数学式10车轮直径D =系数KX速度信息/Vvf …(10)此处，车轮直径计算器40实现上述(10)式，如图6所示，输入的速度信息V被除 法运算器41除以Vvf，输入至乘法运算器42，乘以预先准备的系数K，从而可以计算车轮直径D。另一方面，说明在图2中输入有偏移补偿器20的输出值Vuv-of、平均偏移量 ofav,以及速度信息V的故障检测器50。在同步电动机2旋转、速度信息V大于预定的值 时，若由电压检测器4检测的进行了偏移补偿的Vuv-of小于平均偏移量ofav，则该故障检 测器50判断为是电压检测器4的故障。图7是表示本发明的实施方式1的故障检测器50的结构的结构图，图8是表示本 发明的实施方式1的故障检测器50的动作的动作图。下面，使用图7和图8说明故障检测 器50的动作。如图7所示，输入至故障检测器50的Vuv-of，首先输入至绝对值器51a，之后输入 至滤波器52。在滤波器52中，由于其作用是将由绝对值器51a进行了整流处理的值转换为 直流电压，因此时间常数T3是充分慢的值即可，例如设定为(11)式的值即可。数学式11<formula>formula see original document page 9</formula>该滤波器52的输出值V52如图8所示，为直流电压的值。S卩，此处求出交流电压的 有效值。若同步电动机2旋转，则利用安装在转子的永磁体形成磁场，产生交流电压，但由 于该交流电压是由电压检测器4检测的，因此若同步电动机2旋转，就可以检测交流电压。因此，在速度信息V大于预定的速度时，在交流电压值的有效值、即滤波器52的输 出值V52为零或者较小的值的情况下，可以判断为是电压检测器4出现故障等的异常状态。因此，将滤波器52的输出值V52、和由绝对值器51b取平均偏移量ofav的绝对值 的值输入至取小比较器53，在取小比较器53中比较这些值，若滤波器52的输出值V52小于绝对值器51b的输出值，则将输出值V53 = 1输出至与门(AND)器55;反之，若大于或相 同，则将输出值V53 = O输出至与门(AND)器55。另一方面，将输入至故障检测器50的速度信息V输入至取大比较器54，与预定的速度VO比较。若速度信息V大于预定的速度V0，则取大比较器54将输出值V54= 1输出 至与门(AND)器55 ；反之，若小于或相同，则将输出值V54 = 0输出至与门(AND)器55。另 夕卜，对于取大比较器54比较的预定的速度V0，设定为最高速度的1/10左右的值即可。例 如，如果是最高速度为300km/h的电车，则设定为30km/h，若速度信息V超过30km/h，就进 行故障检测。分别从取小比较器53和取大比较器54输入有V53、V54的与门(AND)器55，在V53 =1、且V54= 1时，输出异常检测信号即Vuv-er。该异常检测信号Vuv-er例如可以传送 至驾驶台的监视器装置以通知有异常，也可以输入至功率转换器1的控制装置，使电车停 止以确认电压检测器4或同步电动机2的状态等。如以上说明那样，实施方式1所涉及的车轮直径计测装置，在由同步电动机驱动 的无速度传感器的矢量控制的电车中，能够检测利用同步电动机的磁场而产生的交流电 压，而高精度地计测电车的车轮直径。另外，通过包括电压检测器的故障检测器，具有的效 果是可以得到可靠性更高的电车的车轮直径计测装置。并且，由于将由实施方式1所涉及的车轮直径计测装置得到的车轮直径D供车轮 直径校正，从而可以与各车轮的车轮直径差相应地进行校正，因此能够以与以往的采用感 应电动机时同等的高精度对电车进行控制。另外，也可以使用由本申请的车轮直径计测装 置得到的车轮直径D，测定车轮的磨损程度，判断车轮是否更换。另外，也可以将计测的值作 为电车的管理信息，传送给驾驶台的监视器装置或车上列车控制装置、综合系统等遍布电 车内的通信网、以及车站等的运行管理系统等。实施方式2.实施方式2的车轮直径计测装置3与实施方式1相同，由检测功率转换器1和同 步电动机2的交流电压的电压检测器4;以及根据检测的交流电压来计算车轮直径的计算 部5(实施方式2中为5a)构成，与实施方式1的不同之处在于，在计算部5a中，速度计算 器实施2次二次微分(即四次微分)。据此，由于去除了电压检测器的偏移的影响，因此成 为不需要偏移补偿器的结构。另外，在与实施方式1同一部分标注相同的标记，省略其说明。图9是表示本发明的实施方式2的计算部5a的结构的结构图。 在实施方式2的计算部5a中，从电压检测器4输入的线电压Vuv首先输入至滤波 器10，去除明显大于同步电动机2的转速的不需要的噪声，成为输出值Vuv-f。然后，输出 值Vuv-f输入至速度计算器60。图10是表示本发明的实施方式2的速度计算器60的结构的结构图。下面，使用 图10说明该速度计算器60的动作。首先，若设振幅为A、设交流电压的旋转角频率为《[1^(1]、设偏移量为13，则从滤 波器10输入的Vuv-f可以如(12)式表示。数学式12Vuv-of = Asin(ω · t)+b ...(12)
此处，发明人发现了将由上述(12)式表示的Vuv-f进行一次微分的(Vuv-f)’，如 下述(13)式那样去除了偏移量b。数学式13<formula>formula see original document page 11</formula>将由上述(13)式表示的(Vuv-f)，再进行一次微分的(Vuv-f) ”，可以如(14)式 所示。即，(14)式是将Vuv-f进行了二次微分，相当于图10所示的二次微分器61a的输出 值。然后，该值去除了偏移量。数学式14<formula>formula see original document page 11</formula>该二次微分器61a的输出值(Vuv-f) ”输入至二次微分器61b和除法运算器62，在 二次微分器61b中进一步进行二次微分，成为如(16)式表示的(Vuv-f)””。数学式15<formula>formula see original document page 11</formula>
数学式16<formula>formula see original document page 11</formula>在输入有二次微分器61a的输出值(Vuv-f) ”、二次微分器61b的输出值 (Vuv-f)””的除法运算器62中，通过如(17)式所示将其相除，可以计算交流电压的旋转角 频率ω的平方值。数学式17
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wiiV"eff J.-φ1ι “一、<formula>formula see original document page 11</formula>
以后，与实施方式1相同，输入至乘法运算器63，通过乘以-1变为正的值，输入至 平方根器64。然后，利用平方根器64，可以容易算出交流电压的旋转角频率ω。接下来，说明在图9中输入有滤波器10的输出值Vuv-f、以及速度信息V的故障检 测器70。图11是表示本发明的实施方式2的故障检测器70的结构的结构图。下面，使用 图11说明该故障检测器70的动作。如图11所示，与实施方式1的故障检测器50的不同之处仅在于，在取小比较器71 中与电压检测值Vuv-f的有效值比较的值是零。在图11中，输入至故障检测器70的滤波器10的输出值Vuv-f，首先输入至绝对值 器51c，之后输入至滤波器52。在滤波器52中，由于与实施方式1同样，将由绝对值器51c 进行了整流处理的值转换为直流电压，因此时间常数T3是充分慢的值即可，例如设定为如 上述(11)式的值即可。该滤波器52的输出值V52是交流电压的有效值，输入至取小比较器71。在取小 比较器71中，若滤波器52的输出值V52小于零，则将输出值V71 = 1输出至与门(AND)器 55;反之，若大于或相同，则将输出值V71 = 0输出至与门(AND)器55。因此，此处，在交流 电压的有效值成为零时进行异常检测，但取小比较器71的进行比较的值不限于此，也可以 是充分小于某一电压的预定的值，该电压是在输入至取大比较器54的预定的速度VO下利用安装在转子的永磁体的磁场产生的电压。分别从取小比较器71和取大比较器54输入有V71、V54的与门(AND)器55与实 施方式1相同，在V53 = 1、且V54 = 1时，输出异常检测信号即Vuv-er，检测异常。如以上说明那样，实施方式2所涉及的车轮直径计测装置，在由同步电动机驱动 的无速度传感器的矢量控制的电车中，通过具有实施2次微分计算的速度计算器，不使用 偏移补偿器就可以去除电压检测器的偏移量的影响，与实施方式1相比，可以得到元器件 数量减少的、可靠性较高的电车的车轮直径计测装置。实施方式3.图12是表示本发明的实施方式3的车轮直径计测装置的结构的结构图。在本实 施方式3中，与实施方式1的不同之处在于，车轮直径计测装置3由包括2个检测该功率 转换器1和同步电动机2的交流电压的电压检测器4a、4b ；以及根据从这2个电压检测器 4a、4b检测的交流电压来计算车轮直径的计算部5b构成。另外，在与实施方式1同一部分标注相同的标记，省略其说明。如图12所示，首先，与实施方式1相同，在功率转换器1停止的电车的惯性行驶 中，利用电压检测器4a、4b，检测利用安装在同步电动机2的转子的永磁体形成磁场而产生 的UV间、以及UW间的线电压Vuv、Vw。然后，检测的线电压Vuv、Vvw输入至计算部5b。图13是表示本发明的实施方式3的计算部5b的结构的结构图。如图13所示， 输入的线电压VUV、VVW分别输入至滤波器10a、10b，去除不需要的噪声后，分别作为输出值 Vuv-f、Vw-f，输出至偏移补偿器20a、20b。在偏移补偿器20a、20b中，与实施方式1相同， 分别计算去除了电压检测器4a、4b的偏移量的值Vuv-of、Vvw-of，输出至速度计算器80。图14是表示本发明的实施方式3的速度计算器80的结构的结构图。下面，使用 图14说明该速度计算器80的动作。首先，输入至速度计算器80的Vuv-of、Vvw-of,被α β转换器81分别转换为如
(18)式表示的Va、νβ。数学式18yii 0 s…膽，此处，若设安装在同步电动机2的转子的永磁体的磁通为Oa、设同步电动机2的 转速为Vvf，则上述(18)式的Vci、Vi3如下面(19)式所示。数学式19(则由于可以预先掌握安装在同步电动机2的转子的永磁体的磁通Φ&，因此若使用
(19)，则表示同步电动机2的转速的Vvf可以如(20)式所示那样计算。数学式2O
如图14所示，从α β转换器81输出的Va、νβ分别输入至乘法运算器82a、82b 并进行了平方后，输入至加法运算器83以及平方根器84，进行上述(19)式的右边的计算。 该结果输入至除法运算器85，与预先准备的永磁体的磁通Oa相除，计算上述(20)式。其 结果是，作为除法运算器85的输出，可以得到表示同步电动机2的转速的Vvf。如上所述，由速度计算器80计算的Vvf如图13所示输入至车轮直径计算器40后， 与实施方式1相同，可以得到电车的车轮直径D。
另一方面，说明在图13中输入有2个偏移补偿器20a、20b的输出值Vuv-of、 Vw-of、平均偏移量ofavl、ofav2,以及速度信息V的故障检测器90。该故障检测器90虽 然可检测2个电压检测器4a、4b为异常的情况，但由于2个电压检测检测器4a、4b同时出 现故障的可能性较低，因此对异常检测Vuv-er和Vvw-er这两者进行检测，来检测同步电动 机2、或者电压检测器4a、4b中的哪一方为异常。图15是表示本发明的实施方式3的故障检测器90的结构的结构图。下面，使用 图15说明该故障检测器90的动作。输入至故障检测器90的Vuv-of，首先输入至绝对值器51a，之后输入至滤波器 52a。在滤波器52a中，由于与实施方式1同样，将由绝对值器51a进行了整流处理的值转 换为直流电压，因此时间常数T3是充分慢的值即可，例如设定为如上述(11)式的值即可。将该滤波器52a的输出值、和由绝对值器51b取平均偏移量ofav的绝对值的值输 入至取小比较器53a。在取小比较器53a中，比较这些值，若滤波器52a的输出值小于绝对 值器51b的输出值，则将输出值V53a = 1输出至与门(AND)器55a ；反之，若大于或相同， 则将输出值V53a = 0输出至与门(AND)器55a。对于VW间的Vw-of也进行同样的计算，从取小比较器53b将输出值V53b = 1、或 者V53b = 0向与门(AND)器55b输出。另外，与实施方式2相同，在取小比较器53a、53b 进行比较的值，可以不是取平均偏移量ofav的绝对值的值，也可以是零。另一方面，将输入至故障检测器90的速度信息V输入至取大比较器54，与预定的 速度VO比较。若速度信息V大于预定的速度V0，则取大比较器54将输出值V54= 1输出 至与门(AND)器55a、55b ；反之，若小于或相同，则将输出值V54 = 0输出至与门(AND)器 55a、55b。另外，在取大比较器54进行比较的预定的速度VO与实施方式1相同，例如设定 为最高速度的1/10左右的值即可，如果是最高速度为300km/h的电车，则设定为30km/h，若 速度信息V超过30km/h，就进行故障检测。与门(AND)器55a、55b分别与实施方式1时相同，在V53a = 1、且V54 = 1时，向 与门(AND)器91输出异常检测信号即Vuv-er ；在V53b = 1、且V54 = 1时，向与门(AND) 器91输出Vvwer0另外，异常检测信号Vuv-er, Vvwer除与门(AND)器91以外，例如也 可以传送至驾驶台的监视器装置以通知有异常，也可以输入至功率转换器1的控制装置， 使电车停止以确认电压检测器4或同步电动机2的状态等。另外，在与门(AND)器91中，当输入有Vuv-er和Vw_er两者时，检测同步电动机 2、或者电压检测器4a、4b中的哪一方为异常，输出V-er。即，由于安装在同步电动机2的转子的永磁体去磁或者脱落，则即使在较高的速度下也不产生电压，可以根据2个电压检测器为异常来掌握该状态，因此可以检测作为同步电动机2的异常。如以上说明那样，实施方式3所涉及的车轮直径计测装置，在由同步电动机驱动 的无速度传感器的矢量控制的电车中，通过包括检测同步电动机产生的两处的交流电压的 2个电压检测器，在计算部不进行复杂的微分计算处理，仅通过简单的计算就可以计算电车 的车轮直径。因此，与上述实施方式1、实施方式2比较，由于可以大幅削减例如构成装置的 电路的元器件数量等，因此可以得到装置结构简单、可靠性较高的车轮直径计测装置。并且，由于对各电压检测器具有故障检测机，可以检测各个故障，并且可以利用来 自这2个故障检测器的信息，来检测同步电动机自身的异常，具有的效果是在同步电动机 和2个电压检测器产生异常时，可以分别快速处理，得到可靠性更高的电车的车轮直径计 测装置。另外，图12所示的电压检测器4a、4b，检测的是连接于功率转换器的交流侧的U相 连接端子Iu和V相连接端子Iv及V相连接端子Iv和W相连接端子lw、施加在同步电动机 2的UV间的线电压Vuv及VW间的线电压Vw，但不限于此，电压检测器4只要能检测施加 在同步电动机2的不同的2个线电压即可。另外，也可以安装在同步电动机2的交流侧的 连接端子，这是毋庸置疑的。因此，例如如图16所示，在电压检测器3a设在功率转换器1侧的端子、电压检测 器3b设在同步电动机2侧的端子时，不必如图12所示的电压检测器那样在1相的连接端 子安装2个电压检测器，具有可以提高安装操作效率的效果。实施方式4.图17是表示本发明的实施方式4的车轮直径计测装置的结构的结构图。在实施 方式4中，除实施方式1的结构外，还追加有车轮直径校正部100，可以使用由车轮直径计测 装置3b的计算部5计算的车轮直径D，根据车轮直径差来校正控制功率转换器1的转矩指 令。另外，在与实施方式1同一部分标注相同的标记，省略其说明。如图17所示，本实施方式4所涉及的电车的车轮直径计测装置3b中，由计算部5 计算的车轮直径D输入至车轮直径校正部100，生成考虑到车轮直径差的转矩指令TRD，输 入至控制功率转换器1的控制器110。图18是表示本发明的实施方式4的车轮直径校正部100的结构的结构图。下面， 使用图18说明该车轮直径校正部100的动作。车轮直径校正部100如图18所示，由将车轮直径D除以基准车轮直径DIAST、计 算车轮直径校正增益DIAG的除法运算器101 ；使除法运算器101的输出即车轮直径校正增 益DIAG不会为最小车轮直径校正增益DIAGMI以下、最大车轮直径校正增益DIAGMX以上的 限制器102 ；以及对限制器102的输出即车轮直径校正增益DIAGR乘以转矩指令TR的乘法 运算器103构成。在除法运算器101中，进行以下(21)式的计算。数学式21<formula>formula see original document page 14</formula>
另外，基准车轮直径DIAST通常设定为0. 82 [m]。另外，发明人发现了，电车的车轮直径D无论在什么样的电车的运转条件下都处于0. 73m ^ D ^ 0. 90m的范围内。因此，除法运算器101计算的输出即车轮直径增益DIAG输入至限制器102，进行以下的处理。在最小车轮直径校正增益DIAGMI <车轮直径增益DIAG <最大车轮直径校正增益 DIAGMX的情况下，设限制器102的输出值DIAGR为车轮直径增益DIAG。在最小车轮直径校正增益DIAGMI >车轮直径增益DIAG的情况下，设限制器102 的输出值DIAGR为最小车轮直径校正增益DIAGMI。在车轮直径增益DIAG >最大车轮直径校正增益DIAGMX的情况下，设限制器102 的输出值DIAGR为最大车轮直径校正增益DIAGMX。此处，由于车轮直径D是在0. 73m≤车轮直径D≤0. 90m的范围内，因此最大车轮 直径校正增益DIAGMX例如取1以上、1. 1( = 0. 90/0. 82)以下的值即可；同样，由于车轮直 径D是在0. 73m ≤车轮直径D≤90m的范围内，因此最小车轮直径校正增益DIAGMI例如 取0. 9( = 0. 73/0. 82)以上、1以下的值即可。利用该限制器102，不会出现用无法想象的增益进行校正的情况，可以提高转矩指 令控制的可靠性。限制器102的输出值DIAGR、以及从驾驶台等提供的转矩指令TR输入至乘法运算 器103，并进行相乘。其结果是，生成考虑到车轮直径差的转矩指令TRD，输出至控制器110。 即，由于与各个车轮直径相应的转矩指令TRD输入至控制器110，因此在控制器110中，例如 可以利用已知的带车轮直径校正的矢量控制等来控制功率转换器1。如以上说明那样，实施方式4所涉及的电车的车轮直径计测装置，在由同步电动 机驱动的无速度传感器的矢量控制的电车中，由于除实施方式1的结构外，还追加了车轮 直径校正部，因此通过将由计算部计算的车轮直径D输入至车轮直径校正部，可以根据车 轮直径差来校正控制功率转换器的转矩指令。即，由于可以对由同步电动机驱动的无速度 传感器的矢量控制进行电车的车轮直径校正，因此电车的加减速控制可以更稳定，使电车 的行驶更加舒适。另外，上述本实施方式4中说明的车轮直径计测装置3是基于实施方式1的车轮 直径计测装置，但不限于此，基于实施方式2以及实施方式3的车轮直径计测装置也能得到 同样的效果，这是毋庸质疑的。
权利要求
一种电车的车轮直径计测装置，其特征在于，包括由将直流电压转换为交流电压的功率转换器驱动的同步电动机，所述车轮直径计测装置包括在所述功率转换器停止的所述电车的惯性行驶中、检测利用所述同步电动机的磁场而产生的交流电压的电压检测器；以及根据所述电车的速度信息和由所述电压检测器检测的交流电压、计算由所述同步电动机驱动的车轮的车轮直径的计算部。
2.如权利要求1所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述计算部包括检测不由所述同步电动机直接驱动的非驱动轴的速度的速度检测器；以及 将所述速度检测器的检测值与预定的值比较、检测所述电压检测器的故障的故障检测器
3.如权利要求1所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述计算部包括速度计算器，所述速度计算器从由所述电压检测器检测的交流电压去除偏移电压，算出旋转角速度。
4.如权利要求1所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述计算部包括偏移补偿器，所述偏移补偿器在所述同步电动机不旋转的期间算出所述电压检测器的平均偏移量， 从由所述电压检测器检测的交流电压去除所述平均偏移量。
5.如权利要求1所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述计算部包括速度计算器，所述速度计算器对由所述电压检测器检测的交流电压进行微分计算处理，去除所述电 压检测器的偏移电压。
6.如权利要求1所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于，所述电压检测器包括检测施加在所述同步电动机的不同的两处的线电压的第一电压 检测器、第二电压检测器，所述计算部根据所述电车的速度信息、和由所述第一电压检测器以及所述第二电压检 测器检测的交流电压，计算由所述同步电动机驱动的车轮的车轮直径。
7.如权利要求6所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述计算部包括第一故障检测器以及第二故障检测器，所述第一故障检测器以及所述第二故障检测器分别比较所述第一电压检测器以及所 述第二电压检测器的检测值与预定的值，分别检测所述第一电压检测器以及所述第二电压 检测器的异常。
8.如权利要求7所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于，所述计算部基于所述第一故障检测器以及所述第二故障检测器的输出，检测所述同步 电动机、或者所述第一电压检测器、或者所述第二电压检测器的异常。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于，包括车轮直径校正部，所述车轮直径校正部根据所述计算部计算的车轮直径，校正用于控制所述功率转换器的转矩指令值。
10.如权利要求9所述的电车的车轮直径计测装置，其特征在于， 所述车轮直径校正部包括限制器，所述限制器将所述计算部计算的车轮直径除以基准 车轮直径的车轮直径校正增益，控制在预定的范围内。
全文摘要
本发明得到一种计测采用同步电动机的无速度传感器的矢量控制的电车的车轮直径的车轮直径计测装置。电车的车轮直径计测装置，包括由将直流电压转换为交流电压的功率转换器驱动的同步电动机，其中，包括在所述功率转换器停止的所述电车的惯性行驶中、检测利用所述同步电动机的磁场而产生的交流电压的电压检测器；以及根据所述电车的速度信息和由所述电压检测器检测的交流电压、计算由所述同步电动机驱动的车轮的车轮直径的计算部。
文档编号B60L3/00GK101821147SQ200780101148
公开日2010年9月1日 申请日期2007年10月18日 优先权日2007年10月18日
发明者北中英俊, 河野雅树 申请人:三菱电机株式会社