最適 制 御 関 す る 究 予 デ 制御を

三重 大学 大学 院^工学研究科 修^士学位 論文

モ デル予^測制 御 を^{用い たP M S M の} 最 適制御^に関する研究

三重 大 学大 学院 ^工学研 究科 博^士前期課 程 電気 電子 ^工学 専攻

電気^{シ ス テ ム}講座

河合 健 司

2 0 0 8 年³ 月

三重 大 学 大 学 院 ^工 学 研 究 科

C op y ^rig h^ts ㊨^{2 0 0 8 Ken}j^{i K aw ai A}ll R i g ht^s R e s e^{r v} ed ^･

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̲ ^{有 人} 芋 人^J

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目 次

本 研 究の背 景 と 目 的

1^.1 永 久 磁石同 期^{モ ー タの}発 展 ^.

1^.2 P MS M の高 速 駆 動 時に おけ^る現 状^と課 題 ^‥

1 ^.2 ^.1 高 速 駆 動 時^の高 応 答^トルク制 御 ^{‑ の}要 求^と電 圧 飽 和

1 1 2 2 1 ^.2 ^.2 P W M イ^{ン バ ー} タ の過 変調^{モ ー ド‑ の}利 用^と電 流 制御 系 ^{‑ の}悪 影 響 ³

1 ^.3 電 流 制 御 系に おけるP W M イ^{ン バ ー} タ^の位 置^づ け

1 ^.4 既 存の イン ^{バ ー} タ を考 慮 した電 流 制 御 系 ^.

1^.5 本 研 究^の 目的 ^.

1 ^.5 ^.1 本 研 究^の最 終^目標 ^{‥ .}

1 ^.5 ^.2 ^モデ^ル予測 制 御に基^づく^{ア プロ ー} チ ^. 1^.6 本 論 文^の構 成 ^‥

5 7 8 8 8 9

1 ^.7 変 数^の 定 義 ^{1 0}

P M S M と 電圧 形 P W M インバ ^ー タ

2 ^.1 P MS M の数 式^モ デルと ^ベ ク トル制 御 ^.

2 ^.2 P W M イ ^{ン バ ー} タ と^スイ ッ チ^ングモ ^ー ド

モ デル予 測 制 御^に基^づく 電流 制御

3 ^.1 M PC ^の基 本 概 念^{と そ の}特 徴 ^.

3 ^.2 M PC に基^づく 電 流 制 御 系 ^.

3 ^.2 ^.1 M P C 電 流 制 御 系^の構 成

3^.2 ^.2 M P C 電 流 制 御 系^の定 式 化 ^{‥ .}

3 ^.3 計算機^{シ ミ ュ レ ー シ ョ ン}に よ る ^{M P} C 電 流 制 御^の有 効 性^の検^証

3^.3 ^.1 シミ ^{ュ レ ー} シ ョ ン条 件 ^‥

3^.3^.2 電 流^ステ ップ応 答^の検 証 ^.

3^.3^.3 ^ス イッ チ ^ング周 波 数^の検 証 ^{. ‥}

∴ 車 人^r;^'I:)こ^′

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;^‑I: 抗 ^{L √}

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;^:: 研^{先 手}斗

1

1 7 1 7 1 8 1 8 1 9 2 1 2 1 2 3 2 8

図 目 次

1 ^.1 Sin us oi dal P W M , O ver m od ulation and 1 ^‑p^uls e ^m ode f わ^r P W M i^{n v}erter

1 ^.2 E x am p l^e for step t^ransition of op^erating p ^oiⁿt ^･ 1 ^.3 C on丘_guration of c on vention al c ur rent c oⁿt^rol sy^ste m

2 ^.1 E q^{ul Va}le nt m odel and c o ordin ate for P M S M ^･ 2 ^.2 V oltag^e b ased P W M in v e rte r ･ ･

2 ^.3 0 ut p ^ut v oltag^{e ve c}tors of in verte^{r ･}

2 A Seq ^{uen c e o}f P W M p ^{atter n} (^{switch in}g ^{m o} de) ^{ge n e ration for triangular}

W aVe ^.

2 ^.5 Si^{n u}s oi d^al P W M and ^{o v}er m od^ulation m ode fo^r t^riang^ular w ave ^･

3 ^.1 0 ut liⁿe of M PC .

3 ^.2 C on丘g^urat ion of c u 汀ent C Ont^rOller u s^{l n}g M P C ^･ 3 ^.3 C u rr ent ^re sp ^{o ns e} 丘^･o m P oiⁿt l to P oiⁿt 2(^{c on ventional})

3 A C u r rent ^re sp ^{ons e} f^ro m Poiⁿtl to P oint 2 (^{prop o s ed: M P C cu r rent c on ‑}

t^roller) ^.

3 ^.5 To^rq^{u e re s}p ^{o n s e} fro m P ointl to P oint 2(^{c on vent ion al}) ^･

4 5 6

if¹ 1 3 1 5

1 5 1 6

1 8 1 9 2 4

3 ^.6 To rq^{ue re s}p ^{ons e}fro m P ointl to P oiⁿt 2(p ^rop ^{o se}d^: M PG ^{cu r rent c on}t^{r o}ller) ^{2 5}

3 ^.7 C u r rent r e sp ^{ons e} fro m P oiⁿt 2 ^to Poiⁿt l(^{c on v e ntion al}) ^{2 6}

3 ^.8 C u r rent resp ^{ons e} fr o m P oiⁿt 2 to P oiⁿt l (^{p rop o s ed: M P C c ur rent c on ‑}

troller) ^{. 2 6}

3 ^.9 To^rq^{ue re s}p ^onse f^ro m P oiⁿt 2 to P oiⁿt l(^{c on ventional}) ^{･ ･ ･ 2 7}

3 ^.1 0 Torq^{ue re s}p ^{ons e}f^ro m P oiⁿt 2 to P oiⁿt l(^{p rop o s ed: M P C c ur rent c ontroller}) ^{2 7}

3 ^.l l Ave r ag^{e s w}itch iⁿg f^req ^uency f^orp^rop ^{o s e}d ^m et h od(^{M P C c ur rent c ontroller}) ^{2 8}

4 ^･1 E xp^eri ^m ental sy^ste m ‥ 3 1

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. 香 ‑)( ^J

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i^三: 人^′羊 院^{. r. J}

､

羊^{研 '')t} 糾･

1 1 1

4^.2 C ^{u r ren}t ^resp ^{ons e} f^ro m P oiⁿt i to P oint 2 (^{exp erim ent}) ^･

4^.3 T b^rq^{ue re s}p ^{ons e} 丘^･o m Poiⁿt 1 t^o P oint 2 (^{exp erim ent}) ^I

4^.4 C u 汀ent ^re Sp ^{OnS e} 丘^･o m P oint 2 to P oint 1 (^{exp e rim ent}) ^･

4^.5 T b^rq^{ue re s}p ^{o ns e} 丘^･o m P oint 2 t^o P oint 1 (^{exp eri m ent}) ^･

4^.6 n ansition of state iⁿ c alculatioⁿ p ^eriod ^. 4^.7 T^{r a n s}ition of state iⁿ c alculatioⁿ p ^eriod ^. 4 ^.8 Tr ansiti^{o n} of state i^{n c a}lculatioⁿ p ^eriod ^.

4 ^.9 T ^ransition of ^state in c alculation p ^eriod c onsi dering ^'d^elay

'

･

3 4 3 4 3 5 3 5 3 7 3 8 3 9 4 0 4 ^.1 0 C u r rent ^re sp ^{ons e} 丘^･o m P oint 1 to Point 2 c onsi de^riⁿg d^elay (^{si m ulation}) ^{4 2}

4 ^.l l C u r reⁿt re sp ^{ons e} fro m Point 1 to Point 2 c oⁿsi deriⁿg d^elay (^{experi m ent}) ^{4 2}

4 ^.1 2 T orq^{ue re s}p ^onse fro m P oint 1 to P oint 2 c oⁿsi deriⁿg d^elay (^{si m ulat io n}) ^{4 3}

4 ^.1 3 T b rq^{ue re s}p ^{ons e} 丘^･o m P oint 1 to Point 2 c oⁿsi deriⁿg d^elay (^{experi m ent}) ^{4 3}

4 ^.1 4 C ur rent re sp ^{ons e} fro m P oint 2 to P oint 1 ^{c ons}i deriⁿg d^elay (^{si m ulation}) ^{4 4}

4 ^.1 5 C u r rent re sp ^{on se} fro m P oint 2 to P oint i c oⁿsidering d ^elay (^{exp erim ent}) ^{4 4}

4 ^.1 6 T b工q^{ue re S}p ^{OnS e} 丘^･o m Point 2 to P oiⁿt 1 ^{c ons}i deriⁿg d^elay (^{si m ulation}) ^{4 5}

4 ^.1 7 Torq^{ue r e s}p ^{ons e} fro m P oint 2 to P ^oiⁿt 1 ^{c o n}si deriⁿg d^elay (^{e xp erim ent}) ^{4 5}

5 ^.1 E x a m p l^{e o}f st^ate d i^vision ･

5 ^･2 C oⁿfi g^{u ra}t ion of cu r rent c ont^roller usiⁿg ^of n iⁿe^‑M P C ^･ 5 ^.3 St^,ate d i^visio n for N ^‑ 3 6 ^.

5 ^･4 State d i^visi^{o n} for N ^‑ 3 6(ⁱS^rq

rp l^aiⁿ) ^{･ ･}

5 ^.5 C u r rent ^re sp ^{ons e} b y p^rop ^{os e}d ^{m et}h od(^{o 乱ne ‑M PC cu r rent c o ntroller})

5 ^.6 Torq^{u e re s}p ^onse b y p^rop ^{os e}d m ethod(^{om ine‑ M PC c u r rent co ntroller})

:

̲ 車 人

;}‑^J['jこ′?

I

: 院 ^卜r?^I:6)F 光 村

1 V

4 7 4 8 5 0 5 0 5 1 5 1

表 目 次

2 ^.I S witchiⁿg ^{m o}d^e and ^state f^{o r}i^{n v e r}ter ^･ 1 4

3 ^･1 S_p e ci 丘c ation of I P M S M 2 1

3 ^.2 C ^ont^rol p^{ara m e}tersfor M PC cu r reⁿt c ontroller ･ 2 2

3 ^.3 0_p^{er a}t iⁿg p ^oiⁿtsfor t^ra n sition ･ 2 2

4 ^.1 S_p e ci 丘c ation of I P M S M 3 1

4 ^.2 C ont^rol p ^{ara m e}te^rs fo^r M PC c u r r e nt c ontr oller ･

4 ^.3 0_p eratiⁿg p ^oiⁿt^sfor transition ･

:

. ^素 人^ノlり( ^一

;､^I: 院 ^L‑i^Jli: 研^'光村

Ⅴ

4 モデル予 測 制 御の実 機 適 用のた めの検 討 と 実 機 検 証

4^.1 実 験システム の構 成

4^.2 実 験 条 件^の設 定 ^{‥ .}

4^.3 実 機 実 験に よ る提 案 手 法^の実 現 性 ^の検 証 ^{. ‥}

4 ^.4 M PC 演算遅 れ を 考 慮 した制 御 法 ^{. ‥}

4^.4 ^.1 実 時 間に おける M PC の制 御 手 順と演算遅 れの影 響 ^.

4^.4 ^.2 計算機シミ ^{ュ レ ー} シ ョ ンに よ る演算遅 れの評 価

4^.4 ^.3 演算遅^{れ を}考 慮^{し た} M P C の提 案 ^{‥ .}

4^.4 ^.4 提 案^手法^の計 算 機シミ^{ュ レ ー} シ ^ョ ンお よ び実 機 実 験^{に よ る}検 証 ^.

オ^フ ライ ン モデル予 測 制 御に基 づ く 電流 制御

5 ^.1 状 態 分 割 図に基^づくオ^フ ラ イン M P C ^.

5 ^.2 オフラ イ ^{ン モ} デ^ル予測 制 御に基^づく 電 流 制 御 系 ^.

5 ^.3 計 算 機^{シミ ュ レ ー シ ョ ン} に よ る動 作 確 認

ま とめと 今 後の検 討 課 題

6^.1 本 研 究に よ る検 討 内 容^{お よ び}成 果^{のま と め ‥}

6^.2 実 用 化^のた めの今 後^の検 討 事 項 ^.

参 考 文 献

関 連 論 文 および^口頭 発 表

謝 辞

二束 大 ^J?‑^II)( 乍F^,';i^. r^{̲ 1}

'

i^･': 研 究 科

1 1

3 0 3 0 3 2 3 3 3 6 3 6 3 7 3 9 4 0

4 6 4 6 4 8 4 9

5 5

5 7

5 8

第¹ 章 本研究^{の 背景 と 目 的}

1 ^.1 永 久磁^石 同期^{モ ー} タ^の発 展

現 代 社 会^{に お い}て ^{モ ー} タ(^{電 動 機}) ^{の果たす 役 割は, 産 業 分 野から 民 生 分 野まで実に} 多岐^{に わ た る.} 身 近 な 例と して は, AV 機 器 や 業 務 用^{の O A} 機 器^, 冷 蔵 庫^, 掃 除 機 な ど

の家庭 電 化製品, 携 帯 電 話 な^{どの バイ ブレ ー タ}機 能 や 鉄 道^{, エ レベ ー タ,} 電 気 自 動 車 な どの輸送 機 械^があ げ られる^. ま た, その他^にも 産 業 用 ^{ロ ボ ッ ト}や工作 機 械^, 鉄 鋼^, 製 紙 業 界までそ^の応 用 分 野は お よ び, 極^めて多数^{の モ ー タ が}今日^の我 ^々 の社 会 を支 えて

い る^. それ^が故に, モ ^ー タ に よ る消 費 電 力^が占^{め る}割 合 も 年^々 増大^{の 一} 途^を辿^っ てお り, 深 刻 化 する^エ ネ^{ル ギ ー} 危 機 ^{‑ の}対 策^{と し て, モ ー タの} 高 効 率 化^が重 要 視 さ^{れ る よ} う^にな^{っ て}き^{た. こ のよ}う な 背 景^{か ら,} 近 年では数 ある^{モ ー} タ^の中でも 特^に, 永 久 磁 石 同期 ^{モ ー タ}(^{P M S M : Per m a n e nt M agnet Syncbron ous M otor}) ^{が注目される ように}

な^っ た^. P M SM は, 同じく 交 流^{モ ー} タで ある誘 導^{モ ー タ と 比}較^して, スリ ッ プ に起 因 す^る2 次 電 流 損 失^が無^い 分 高 効 率であるだ けでな く^, 小 型 高 出力化^が可 能^である と^い

う利 点 も 併^せ持 ^{つ .}

し か しな^がら, P M S M が実 用 化 さ^れ始^{め た}1 9 3 0 年 代^とい うと, 大 容 量 化^に対^して十 分 な保 磁 力 を 持^つ 永 久 磁^石材 料^{が 乏} しく, ま た現 在^のイ ^{ン バ ー} タの よう^に周 波 数^が可 変 な 電 源 も 無^{か った. そ のた め, 上}述^の利 点を持 ^{つ P MS M の}性 能^は十 分^に発 揮 され ず^, その使^用範 囲^{は 小}型フ ア ン用^{モ ー} タなど に限 定 され た^. しか しなが ら, 1 9 5 0 年 代よ り 希^土類 磁^{石 のよ}う な保 磁 力^{, エ} ネ^ルギ ^ー 密 度^に優 れ^る永 久 磁^石材 料 や^{, パ ワ ー エ レク} トロ ^ニ ク^ス の発 展に よ り 可変 周 波 数 電 源^である イ ^{ン バ ー} タ ^の開 発^{と その}高 性 能 化^が進 んだ^. そ し て上記 ^の背 景^と, 交 流^{モ ー タ に お け るベ ク トル}制 御 法^の確^{立 に よ る}制 御 性 能^の向^{上 か}ら, P M S M は小 型 ^･ 高 効 率^{モ ー} タ と して ^の地 位を確^立 し て い ^っ た. さ らに,

回 転 子製造 技術^の進 歩に よ り, 突 極 性 を 有 す^{る 埋 め 込 み}永 久 磁石 同期^{モ ー タ}(^{I P M S M}

: Inte^rio r Pe r m anent M ag^net S_yncbron ous M oto^r) ^{が実 用 化 され る ようになっ た･ こ}

のI P M S M は, 突極 性^を持たな^い従 来^{のP M S M が}利 用 する磁石 トルク (^マ グネッ ト ト

p･ ^LT‑^{I: 人'}

j'^,I: 大^';^';:i^J',^'

i ^{l'･ J;､'': 研 究 村}