本論文では、回転子位置センサレスのモータ駆動システムにおける永久磁石同期モータの 高性能制御を提案し、制御特性の検討を行った。内容を以下にまとめる。
第2章では、拡張誘起電圧による回転子速度・位置センサレス制御に、最小二乗法を基に したオンラインパラメータ同定を組み合わせた永久磁石同期モータの駆動システムを提案 し、パラメータ変動が位置推定精度に与える影響とその対策について検討を行った。q軸イ ンダクタンスは回転子速度に関係なく推定精度に大きな影響を与えることを理論的に明ら かにし、オンラインパラメータ同定により得られた値を速度・位置推定に用いることにより、
推定精度を改善できることを確認した。抵抗とインバータでの電圧誤差については、回転子 速度が低く、トルクが大きい場合において、パラメータ変動が推定精度に与える影響を無視 できないため、パラメータ同定を適用して推定精度を改善した。位置推定誤差が生じる速 度・位置センサレス制御時においても、モータパラメータのオンライン同定が可能であるこ とを確認できた。これにより、パラメータ変動の影響を受けにくい速度・位置センサレス制 御のモータ駆動システムを構築できるようになった。良好な位置推定精度が得られたことに より、最大トルク／電流制御などの電流ベクトル制御が適切に行われ、永久磁石同期モータ の特徴の一つである高効率な運転や高性能制御が実現できた。
第3章では、PI制御器を用いる直接トルク制御(RFVC DTC)を用いた永久磁石同期モータ 駆動システムにおいて、トルク制御のPI制御器ゲインとトルク応答特性に関する検討を行 った。トルク制御系のモデリングを行い、伝達関数を明らかにした結果、トルク応答特性を 解析的に考察できるようになった。特に、リラクタンストルクを利用するモータにおいては、
トルクの動作点が異なるとトルク制御の応答特性が大きく変化することが分かった。運転中 のトルクに応じて制御器のゲインを動的に変化させることにより、トルク応答特性を改善す る方法を提案し、その有効性を示した。また、インバータでの電圧飽和により生じるトルク 制御器のワインドアップについて考察を行い、アンチワインドアップ機構を提案した。以上 の検討は、シミュレーションと実機実験の両方で行い、理論の妥当性と、提案法の有効性を 示すことができた。以上の成果より、RFVC DTC のPI制御器のゲイン設計が容易になり、
モータが異なる場合でも所望の制御特性を迅速に得られるようになった。また、制御器のゲ インに対する制約も明らかになったことから、そのシステムの限界が分かりやすくなった。
そのため、安定したトルク制御システムを容易に実現できるようになった。
第4章では、永久磁石同期モータを広い速度範囲で使用するためのトルクと磁束の制御法 について、制御則の導出と運転特性の検討を行った。モータ電機子電圧を制限値に保つ弱め 磁束制御と、電機子電流の制限を満足するトルク制限法の新しい手法を提案した。直接トル ク制御を用いた永久磁石同期モータ駆動システムに提案法を適用し、シミュレーションと実 機実験を行った結果、提案法は、磁石磁束とインダクタンスが不要であり、電機子抵抗のみ
が既知であれば、電機子鎖交磁束の推定値を用いて制御が実現できることを確認した。また、
d-q座標上のモータモデルを基にした制御法と比較して、パラメータ変動による影響を受け にくいことが明らかとなった。さらに、埋込磁石同期モータの特別な場合として、回転子に 永久磁石を使用しない同期リラクタンスモータの最大トルク／電流制御と最大トルク／磁 束制御について、新しい制御方法を提案した。電機子鎖交磁束とt軸電流の比であるLtの値 を利用することにより、簡潔な式で制御を実現できた。
第5章では、磁石磁束とインダクタンス分布に高調波が存在する永久磁石同期モータの駆 動に直接トルク制御、もしくはd,q軸上での電流制御方式を用いた場合のトルクリプル低減 効果について、シミュレーションにより検討を行った。瞬時トルク特性を比較した結果、直 接トルク制御によってモータを駆動した場合に最も大きなトルクリプル低減効果が得られ た。d,q軸上での電流制御方式でも制御器のゲインを高く設計することにより、直接トルク 制御の場合と同等のトルクリプル低減効果を得ることができた。しかし、Flux-basedトルク 推定法を適用する必要があり、推定器と制御器の追加が必要であることを考慮すると、直接 トルク制御の方が簡潔な構成で効果を得ることができる。
第6章では、埋込磁石同期発電機を直接トルク制御で制御する風力発電システムの提案を 行い、直接トルク制御による発電機制御と速度・位置センサレス駆動が可能であることを確 認できた。直接トルク制御で推定される電機子鎖交磁束の情報から発電機回転子速度を推定 でき、推定速度を用いた風速センサレス最大電力点追従制御が可能であることを示した。さ らに、誘起電圧の周期を利用したカットイン風速の判定法が有効であり、発電開始と停止が 安定に行われることを確認した。この結果、埋込磁石同期発電機を用いた風力発電システム の低コスト化と信頼性向上が期待できる。
本論文で提案した回転子位置センサレス制御システムの高性能化手法により、低コストで 信頼性の高い永久磁石同期モータ駆動システムを実現しつつ、位置センサを使用する場合と 比較して遜色のない運転特性が得られるため、永久磁石同期モータの利点を十分に生かすこ とができる。パラメータ同定を用いることにより、回転子速度やトルクの変化に伴うパラメ ータ変動だけでなく、温度変化に従うパラメータ変動に影響されにくいシステムが実現でき る。なお、オンラインパラメータ同定は電流制御方式だけでなく、直接トルク制御にも適用 が可能であると考えられるため、パラメータ同定に関する本論文の成果を基にして直接トル ク制御のさらなる特性改善が期待できる。直接トルク制御によるモータ駆動システムでは、
所望のトルク制御特性を持つシステムを容易に実現できるようになったため、機械系との連 携も進むことが期待できる。また、広範囲可変速運転のためのトルクと磁束の制御法につい て、同期リラクタンスモータにおいては、電機子鎖交磁束に同期した座標系での制御則が構 築できた。しかし、永久磁石同期モータのための最大トルク／電流制御など高効率制御のた めのトルクと磁束の制御則については、d-q座標上の制御則を利用しているため、直接トル ク制御の場合にはパラメータ変動の影響を受けやすい恐れがある。そのため、パラメータ変
動にロバストな制御則の構築は今後の検討課題である。この将来、永久磁石同期モータの応 用範囲がさらに広がることを期待して、以上を本論文の総括とする。
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