省エネモータードライブシステムの基礎と設計法

【著者紹介】

【目次】

１．モータードライブシステムの基本構成

1. １－１　はじめに
2. １－２　モータードライブシステムの全体構成
   1. １－２－１　全体構成
   2. １－２－２　モーターが駆動する負荷の特性
   3. １－２－３　モーターと制御器
   4. １－２－４　機械系の運動制御
3. １－３　ドライブシステムの構成要素と本書との対応
   1. （1） 同期モーター
   2. （2） 制御器
   3. （3） 電力変換器
   4. （4） センサー
   5. （5） モーター試験システム

２．PMSM・SynRMの基礎

1. ２－１　はじめに
2. ２－２　基本構造と特徴
   1. ２－２－１　モーターの分類と特徴
   2. ２－２－２　基本構造
      1. （1） 固定子構造と回転磁界
      2. （2） 回転子構造
3. ２－３　トルク発生原理界

３．PMSM・SynRMの数学モデル

1. ３－１　はじめに
2. ３－２　座標変換
   1. ３－２－１　座標変換とは
   2. ３－２－２　座標変換行列
3. ３－３　静止座標系のモデル
   1. ３－３－１　三相静止座標系のモデル
   2. ３－３－２　二相静止座標系 （α-β座標系） のモデル
4. ３－４　回転座標系のモデル
   1. ３－４－１　d-q座標系のモデル
   2. ３－４－２　鉄損を考慮したd-q座標系のモデル
   3. ３－４－３　M-T座標系のモデル
   4. ３－４－４　任意直交座標系のモデル
5. ３－５　制御対象としての基本モーターモデル
   1. ３－５－１　d-q座標系の基本モデル
      1. （1） 電気系モデル
      2. （2） 電気－機械エネルギー変換
      3. （3） 機械系モデル
   2. ３－５－２　本書で用いるモーターと機器定数
6. ３－６　実際のモーターモデル
   1. ３－６－１　磁気飽和と空間高調波の影響
      1. （1） 磁気飽和の影響
      2. （2） 空間高調波の影響
   2. ３－６－２　実際のモーターパラメータの解析事例

４．電流ベクトル制御法

1. ４－１　はじめに
2. ４－２　電流ベクトル平面上の特性曲線
3. ４－３　電流位相と諸特性
   1. ４－３－１　電流一定時の電流位相制御特性
   2. ４－３－２　トルク一定時の電流位相制御特性
   3. ４－３－３　電流位相制御特性のまとめ
4. ４－４　各種電流ベクトル制御法
   1. ４－４－１　最大トルク／電流制御
   2. ４－４－２　最大トルク／磁束制御（最大トルク／誘起電圧制御）
   3. ４－４－３　弱め磁束制御
   4. ４－４－４　最大効率制御
   5. ４－４－５　力率1制御
5. ４－５　電流・電圧の制限を考慮した制御法
   1. ４－５－１　電流ベクトルの制約
   2. ４－５－２　電流・電圧制限下での電流ベクトル制御
   3. ４－５－３　最大出力制御
      1. （1） 制御モード Ⅰ
      2. （2） 制御モード Ⅱ
      3. （3） 制御モード Ⅲ
      4. （4） 最大出力制御の電流ベクトルと特性例
6. ４－６　電流ベクトル制御システム
   1. ４－６－１　電流指令値作成法
      1. （1） MTPA制御
      2. （2） 弱め磁束制御
   2. ４－６－２　非干渉電流制御
   3. ４－６－３　電流制御システム
      1. （1） 電流検出と座標変換
      2. （2） 電圧指令値の作成
      3. （3） 全体構成
   4. ４－６－４　電流ベクトル制御システムの特性例
7. ４－７　モーターパラメータ変動の影響

５．センサーレス制御

1. ５－１　はじめに
2. ５－２　センサーレス制御の概要
   1. （1） V/f一定制御に基づく方法
   2. （2） 電機子鎖交磁束に基づく方法
   3. （3） 誘起電圧に基づく方法
   4. （4） 突極性に基づく方法
3. ５－３　誘起電圧に基づくセンサーレス制御
   1. ５－３－１　誘起電圧に基づく位置推定の基本
      1. （1） α-β座標系 （静止座標系）
      2. （2） d-q座標系 （同期回転座標系）
      3. （3） γ-δ座標系 （任意の直交座標系）
   2. ５－３－２　推定d-q座標系の拡張誘起電圧モデルに基づく位置・速度推定
   3. ５－３－３　拡張誘起電圧モデルに基づく位置・速度推定部の構成例
   4. ５－３－４　拡張誘起電圧推定方式によるセンサーレス制御
   5. ５－３－５　拡張誘起電圧推定方式におけるパラメータ誤差の影響
4. ５－４　突極性に基づくセンサーレス制御
   1. ５－４－１　突極性に基づく位置推定の基本
   2. ５－４－２　推定d-q座標系における高周波電圧印加方式
   3. ５－４－３　極性判別法
5. ５－５　高周波印加方式と拡張誘起電圧推定方式による全速度域センサーレス制御

６．直接トルク制御

1. ６－１　はじめに
2. ６－２　トルクと磁束を制御する原理
   1. ６－２－１　トルク制御
   2. ６－２－２　磁束制御
   3. ６－２－３　制御できる条件
      1. （1） SPMSM
      2. （2） IPMSM
      3. （3） SynRM
3. ６－３　基本特性曲線
4. ６－４　トルクと磁束の指令値
   1. ６－４－１　最大トルク／電流制御
      1. （1） 参照テーブルを用いる方法
      2. （2） M-T座標上での数式モデルを用いる方法
      3. （3） SynRMでd-q座標系の関係式を用いる方法
   2. ６－４－２　弱め磁束制御
   3. ６－４－３　電流制限のためのトルク制限
   4. ６－４－４　最大トルク／磁束制御
      1. （1） IPMSMの場合
      2. （2） SynRMの場合
5. ６－５　DTCの構成
   1. ６－５－１　電機子鎖交磁束の推定
   2. ６－５－２　スイッチングテーブル方式
   3. ６－５－３　指令磁束ベクトルを得る方式
   4. ６－５－４　DTCの制御特性を改善する方法
   5. ６－５－５　DTCによるモーター駆動システムの運転特性

７．インバーターとセンサー

1. ７－１　はじめに
2. ７－２　電圧形インバーターの基本構成と基本動作
   1. ７－２－１　三相電圧形インバーターのPWM制御
   2. ７－２－２　電圧利用率を向上する変調方式
      1. （1） 3次調波注入方式
      2. （2） 二相変調方式
3. ７－３　デッドタイムの影響と補償
   1. ７－３－１　デッドタイムの影響
   2. ７－３－２　デッドタイムの補償法
4. ７－４　モータードライブに用いるセンサー
   1. ７－４－１　機械量のセンサー
      1. （1） 位置センサー
      2. （2） 速度センサー
   2. ７－４－２　電気量のセンサー
      1. （1） 電流センサー
      2. （2） 電圧センサー

８．デジタル制御システムの設計法

1. ８－１　はじめに
2. ８－２　デジタル制御システムの基本構成
   1. ８－２－１　ハードウェア構成
      1. （1） PWMによるスイッチング信号生成
      2. （2） アナログ－デジタル変換
      3. （3） ABZカウンタ
      4. （4） タイマ
      5. （5） その他
   2. ８－２－２　ソフトウェア処理と割込処理
3. ８－３　制御システムのデジタル化
4. ８－４　デジタル化の注意点
   1. ８－４－１　サンプリング定理
   2. ８－４－２　量子化誤差
   3. ８－４－３　センサー誤差の補正
   4. ８－４－４　時間遅れの影響

９．モーター試験システムと特性測定方法

1. ９－１　はじめに
2. ９－２　実験システムの構成
   1. （1） 供試機 （PMSM）
   2. （2） 位置センサー （PS）
   3. （3） トルク検出器、速度・トルクメータ
   4. （4） 負荷
   5. （5） パワーメータ
   6. （6） インバーター
   7. （7） 直流電源
   8. （8） デジタル制御システム
3. ９－３　初期設定（実験準備）
   1. ９－３－１　正転方向・相順決定、Z位置の確認
      1. （1） PMSMの場合
      2. （2） SynRMの場合
   2. ９－３－２　電気系定数の測定法
      1. （1） 電機子抵抗の測定
      2. （2） 永久磁石による電機子鎖交磁束の測定
      3. （3） d, q軸インダクタンスの測定
      4. （a） 停止状態での測定
      5. （b） 実運転状態での測定
   3. ９－３－３　機械系定数の測定法
   4. ９－３－４　センサーの零点補正
4. ９－４　基本特性の測定
   1. ９－４－１　電流位相－トルク特性
   2. ９－４－２　速度－トルク特性、効率マップ
5. ９－５　損失分離

【参考文献】

第1章

• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• 武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制御」、オーム社、2001年
• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年
• 百目鬼英雄：「電動モータードライブの基礎と応用」、技術評論社、2010年
• 森本雅之　編著：「EE Textパワーエレクトロニクス」、オーム社、2010年
• 堀洋一、大西公平：「制御工学の基礎」、丸善、1997年
• 堀洋一、大西公平：「応用制御工学」、丸善、1998年
• 山本重彦、加藤尚武：「PID制御の基礎と応用」、朝倉書店、1997年

第2章

• 電気学会：「電気機器学」、電気学会、1985年
• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• リラクタンストルク応用電動機の技術に関する調査専門委員会：「リラクタンストルク応用モーター」、電気学会、2016年
• 武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制御」、オーム社、2001年
• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年
• 松井信行：「省レアアース・脱レアアースモーター」、日刊工業新聞社、2013年
• 日立製作所総合教育センタ技術研修所：「わかりやすい小形モーターの技術」、オーム社、2002年
• 堀洋一、正木良三、寺谷達夫：「自動車用モーター技術」、日刊工業新聞社、2003年

第3章

• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• 電気学会：「基礎電気機器学」、電気学会、1984年
• リラクタンストルク応用電動機の技術に関する調査専門委員会：「リラクタンストルク応用モーター」、電気学会、2016年
• 武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制御」、オーム社、2001年
• 電気学会・センサーレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会：「ACドライブシステムのセンサーレスベクトル制御」、オーム社、2016年
• 前川佐理、長谷川幸久：「家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法」、科学情報出版、2014年
• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年

第4章

• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• 武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制御」、オーム社、2001年
• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年
• リラクタンストルク応用電動機の技術に関する調査専門委員会：「リラクタンストルク応用モーター」、電気学会、2016年
• 電気学会・センサーレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会：「ACドライブシステムのセンサーレスベクトル制御」、オーム社、2016年
• 前川佐理、長谷川幸久：「家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法」、科学情報出版、2014年
• 森本雅之：「入門インバーター工学」、森北出版、2011年
• 森本雅之　編著：「EE Textパワーエレクトロニクス」、オーム社、2010年
• 山本重彦、加藤尚武：「PID制御の基礎と応用」、朝倉書店、1997年
• 杉本英彦、小山正人、玉井伸三：「ACサーボシステムの理論と設計の実際」、総合電子出版社、1990年

第5章

• Seung-Ki Sul, Sungmin Kim: "Sensorless Control of IPMSM: Past, Present, and Future," IEEJ Journal of Industry Applications, Vol. 1, No. 1, pp. 15-23, 2012
• 武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制御」、オーム社、2001年
• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年
• 電気学会・センサーレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会：「ACドライブシステムのセンサーレスベクトル制御」、オーム社、2016年
• リラクタンストルク応用電動機の技術に関する調査専門委員会：「リラクタンストルク応用モーター」、電気学会、2016年
• 新中新二：「永久磁石同期モーターの制御」、東京電機大学出版局、2013年
• 前川佐理、長谷川幸久：「家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法」、科学情報出版、2014年
• 堀洋一、大西公平：「応用制御工学」、丸善、1998年
• 森本茂雄、河本啓助、武田洋次：「推定位置誤差情報を利用したIPMSMの位置・速度センサーレス制御」、電気学会論文誌D、Vol. 122, No. 7, pp. 722-729、2002年
• M.J. Corley, R.D. Lorenz:"Rotor position and velocity estimation for a salient-pole permanent magnet synchronous machine at standstill and high speeds," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 4, pp. 784-789, 1998
• 森本茂雄、神名玲秀、真田雅之、武田洋次：「パラメータ同定機能を持つ永久磁石同期モーターの位置・速度センサーレス制御システム」、電気学会論文誌D、Vol. 126, No. 6, pp. 748-755, 2006

第6章

• 松瀬貢規：「電動機制御工学」、電気学会、2007年
• 中野孝良：「交流モーターのベクトル制御」、日刊工業新聞社、1996年
• 井上征則：「回転子位置センサーレス駆動される永久磁石同期モーターの高性能制御」、大阪府立大学　博士論文、http://hdl.handle.net/10466/10411, 2010年
• 高橋勲、野口敏彦：「瞬時すべり周波数制御に基づく誘導電動機の新高速トルク制御法」、電気学会論文誌論B、Vol. 106, No. 1, pp. 9-16, 1986
• G. S. Buja, M. P. Kazmierkowski: "Direct Torque Control of PWM Inverter-Fed AC Motors - A Survey", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, No. 4, pp. 744-757, 2004
• M. F. Rahman, M. E. Haque, L. Tang, L. Zhong: "Problems Associated With the Direct Torque Control of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive and Their Remedies", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, No. 4, pp. 799-809, 2004
• L. Tang, L. Zhong, M. F. Rahman, Y. Hu: "A Novel Direct Torque Control for Interior Permanent-Magnet Synchronous Machine Drive With Low Ripple in Torque and Flux - A Speed-Sensorless Approach", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No. 6, pp. 1748-1756, 2003
• 井上達貴、井上征則、森本茂雄、真田雅之：「電機子鎖交磁束に同期した座標系におけるPMSMの最大トルク／電流制御の数式モデルと制御手法」、電気学会論文誌D、Vol. 135, No. 6, pp. 689-696, 2015
• Y. Inoue, S. Morimoto, and M. Sanada: "Control scheme for wide-speed-range operation of synchronous reluctance motor in M-T frame synchronized with stator flux linkage," IEEJ Journal of Industry Applications, Vol. 2, No. 2, pp. 98-105, 2013
• 関友洋、井上征則、森本茂雄、真田雅之：「M-T座標上での直接トルク制御を用いたPMSMセンサーレス駆動システムの電圧飽和時における運転特性」、電気学会モータードライブ／家電民生合同研究会、MD-13-8/HCA-13-8, pp. 41-46, 2013

第7章

• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• 電気学会・センサーレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会：「ACドライブシステムのセンサーレスベクトル制御」、オーム社、2016年
• 前川佐理、長谷川幸久：「家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法」、科学情報出版、2014年
• 森本雅之　編著：「EE Textパワーエレクトロニクス」、オーム社、2010年
• 大野榮一、小山正人：「パワーエレクトロニクス入門（改訂5版）」、オーム社、2014年
• 矢野昌雄、打田良平：「パワーエレクトロニクス」、丸善出版、2000年
• 谷口勝則：「PWM電力変換システム―パワーエレクトロニクスの基礎」、共立出版、2007年
• 百目鬼英雄：「電動モータードライブの基礎と応用」、技術評論社、2010年
• 長竹和夫：「家電用モーター・インバーター技術」、日刊工業新聞社、2000年

第8章

• 電気学会・センサーレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会：「ACドライブシステムのセンサーレスベクトル制御」、オーム社、2016年
• イブ・トーマス、中村尚五：「プラクティス　デジタル信号処理」、東京電機大学出版局、1995年
• 谷萩隆嗣：「ディジタルフィルタと信号処理」、コロナ社、2001年
• 電気学会技術報告（第761号）：「パワーエレクトロニクスシステムのシミュレーション技術」、電気学会、2000年
• デジタル制御システムの一例として、Mywayプラス（株）製 PE-Expert 4 （https://www.myway.co.jp/products/pe_expert4.html）

第9章

• 森本茂雄、真田雅之：「省エネモーターの原理と設計法」、科学情報出版、2013年
• 電気学会技術報告（第1145号）：「電気学会PMモーターの最新技術と適用動向」、電気学会、2009年
• 森本雅之　編著：「パワーエレクトロニクス」、オーム社、2010年
• 森本茂雄、神前政幸、武田洋次：「PMモーターシステムの停止時におけるパラメータ同定」、電気学会論文誌D、Vol. 123, No. 9, pp. 1081-1082, 2003
• 森本茂雄、神名玲秀、真田雅之、武田洋次：「パラメータ同定機能を持つ永久磁石同期モーターの位置・速度センサーレス制御システム」、電気学会論文誌D、Vol. 126, No. 6, pp. 748-755, 2006

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