スカラー制御

スカラー制御(V/Hz制御とも呼ばれる)はインダクションモータの速度を制御する簡易技術です。

主にインダクションモータの定常状態モデルから派生する技術なので、一時的な性能は可能ではありません。また、システムには電流ループがないため、三相電源の電流量と周波数を調整することによりモータを制御します。

 

ベクトル制御と磁界方向制御

電気モータのトルクは固定子とロータの界磁に比例して変化します。界磁が直交したときにトルクはピークになります。スカラー系制御では界磁の間の角度が大きく変動します。

ベクトル制御は、ACモータに固定子とロータの界磁の直交関係を作ろうとします。ベクトル制御は、トルクを生成する電流を、磁束を生成する電流から独立制御することでDC機械と同等の応答性を追求します。

ACインダクションモータのベクトル制御は他励DCモータの制御と類似しています。DCモータでは界磁電流IFが生成する界磁フラックスΦ Fは電機子電流IAが生成する電機子フラックスΦAと直交します。2つの界磁は分離した状態でお互いに定常です。従ってトルクを制御するために電機子電流を調整しても界磁フラックスに影響しないので高速過渡応答が実現できます。

三相ACモータの磁界方向制御(Field Oriented Control = FOC)はDCモータの動作を真似します。全ての被制御変数はACからDCへ数学的に変数することで、トルクとフラックスを別々に制御できるようになります。

磁界方向制御方法は2つあります。
直接磁界方向制御:ロータ磁束角度を磁束推定、または測定から直接計算します。
間接磁界方向制御:ロータ磁束角度を有効速度とスリップ計算から間接計算します。

ベクトル制御では、ロータ磁束の位置を検出する必要があります。ACインダクションモータの動態モデルを使用すれば、先進アルゴリズムで端子の電流値と電圧値からロータ磁束の位置が計算できます。但し、実施の観点から計算リソースが重要になります。

他には、フィードフォワード技術、モデル推定器並びに適応制御技術を採用するという方法があり、応答性と安定性が強化できます。

 

ACモータのベクトル制御:詳細ACモータのベクトル制御:詳細


ベクトル制御アルゴリズムの核になっているのは数学的変換のクラーク変換(Clarke Transformation)、パーク変換(Park Transformation)およびそれらの逆変換です。クラーク変換とパーク変換は制御可能の固定子電流をロータの領域へ持ってきます。するとモータ制御システムは、動的に変化する負荷に対してトルクを最大化させるための固定子電圧が判定できます。

クラーク変換:クラーク数学的変換は三座標系を二座標系へ変換します。

 

 

IaIbは直交標準面の成分です。 Ioは単一面の成分で、重要ではありません。

 

図4:三相固定子電流の関係性:基準座標系が回転

 

パーク変換:パーク数学的変換は二相固定システムベクトルを回転システムベクトルへ変換します。

 

 

クラーク変換で計算した二相α, β座標表現をベクトル回転ブロックに入力し、 ロータ磁束に付着したd, q座標を追跡して角度θを回転します。上記の方程式によって角度θを回転します。

 

ACモータの磁界方向ベクトル制御の基本図式:

図2にACモータの磁界方向ベクトル制御の基本図式を示します。

クラーク変換は三相電流IAIB、ICから二相直交固定子座標の電流Iα Iβを計算します。固定座標系の電流IαIβはパーク変換で d, q 座標の電流IsdIsqへ変換します。電流 IsdIsqとモータ磁束モデルで計算する瞬時磁束角度θから、ACインダクションモータの電気トルクを計算します。

 

図2:ACモータの磁界方向ベクトル制御の基本図式

 

計算結果はPIコントローラによって基準と比較して更新されます。

 

表1:モータのスカラー制御とベクトル制御の比較:

制御パラメータ V/Hz制御 ベクトル制御 センサレスベクトル制御
速度調整 1% 0.001% 0.05%
トルク調整 良くない +/- 2% +/- 5%
モータモデル 不要 正確なモデル要
マイコン性能 高 + DSP

ベクトル系モータ制御の固有メリットは、 AC、永久磁石AC又はBLDCモータに適切な数学モデルを入れ替えることだけで、同じ図式で各種モータタイプの制御が実現できることです。

 

BLDCモータのベクトル制御

BLDCモータもまた磁界方向ベクトル制御にとても適しています。磁界方向制御方法を採用するBLDCモータは95%までのさらに高効率が実現でき、モータの最高速度範囲でも効率的に動作が可能です。

  制御方法 マイコン条件 推奨マイコン
RL78
ファミリ
RX
ファミリ
RH850
ファミリ
RZ/T1
グループ
ACモータ制御 V/F インプットキャプチャ、割り込み、
三相モータ制御用PWMタイマ
     
簡易ベクトル インプットキャプチャ、割り込み、
デッドタイマ付きの三相モータ制御用PWMタイマ
 
ベクトル(FOC) 高性能マイコン+MAC、高速A/D変換器、インプットキャプチャ、割り込み、デッドタイマ付きの三相モータ制御用PWMタイマ  
センサレス
ベクトル
高性能マイコン+MAC、高速A/D変換器、割り込み、
デッドタイム付きの三相モータ制御用PWMタイマ
 
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