Po1-8 拡張誘起電圧オブザーバに基づく位置センサレス制御の低速駆動域拡大大沼巧 *, 道木慎二, 大熊繁 (名古屋大学) Position Sensorless Control Based on Extended EMF Observer for Wide-speed Range Operation Takumi Ohnuma *, Shinji Doki, Shigeru Okuma (Nagoya University) 位置センサレス制御の手法の一つに拡張誘起電圧オブザーバに基づく方法がある。従来の拡張誘起電圧オブザーバによるセンサレス運転が可能な駆動範囲は，中高速域に限定されていた。その理由として，低速域においては，速度起電力の低下に伴い，拡張誘起電圧の振幅が低下するという問題があった。これに対し，提案手法では，低速域において，拡張誘起電圧の振幅を維持するために，付加的な信号重畳を行う (1) (2) 。この信号は，拡張誘起電圧に含まれる突極性由来の成分を励起し，振幅をある下限値以上に保つために必要な分だけ加えられる。本稿では，S-T(Speed-Torque) 特性の評価により，定常的に運転可能な駆動領域を調べたので，その結果を報告する。 2. 位置センサレス制御系の構成提案する位置センサレス制御系の構成を Fig.1 に示す。Fig.1 は，従来の拡張誘起電圧オブザーバを用いた一般的な d-q 軸上の電流ベクトル制御を基本としており，これに対する変更点は，電流指令の生成部に挿入した f -t 軸から d-q 軸への回転座標変換と，オブザーバによる位置推定部に追加した同期検波用のフィルタのみである。これにより，駆動領域を 0 速まで拡大することが可能となる。そして，中高速域では，f 軸電流指令を 0 に減少させるだけで，そのまま従来の拡張誘起電圧オブザーバによる最大トルク/電流制御へ移行できる (1) (2) 。 ω* + - ω^ Ii sinωit if* Speed Controller it* idq* vuvw vdq* + f-t / d-q - d-q / uvw Current Controller Load idq LPF uvw ᯟ d-q * idq exp(jπ/4) s tan-1 e~ Filter2 + e^ Observer (Filter1) α=ωi 4. 実験結果 S-T 特性により定常特性の評価を行った。重畳信号の振幅 Ii を決定する拡張誘起電圧の下限値は 8 V とした。この値は，インバータで生じる出力電圧誤差のレベルや，モータのコギングトルクなどの外乱電圧を考慮の上，実験的に決定した。また，重畳信号の周波数は 100 Hz を用いた。この値は，モータの定格周波数の 1.2 倍に相当する値であり，オブザーバの極配置を考慮の上，想定される駆動周波数の最大値付近を目安とした。同時に，この周波数は電流制御の応答 2000 rad/s の帯域内であり，電流制御を通じて重畳信号を生成することが可能である。実験結果を Fig.2 に示す。定常的に運転可能であった動作点で示し，同時に重畳信号の振幅 Ii の分布を重ねて点線でをプロットした。重畳信号の電流振幅は最大で 2.5 A(50%) であるが，用いた信号重畳法の特徴から，電流ベクトルの変化方向は位相方向が主となる上に，重負荷ほど少なく済むため，電流容量の負担増加は小さいと考えられる。また，低速軽負荷においては，運転可能領域が制限されており，その範囲は 300 r/min 以下で徐々に拡大し，最大で約 50%トルク以下である。このような軽負荷領域を除いては，推定法を切り替えることなくセンサレス制御が有効な運転領域を，0 速を含む全速度域に拡大できることが確認された。 2 1.8 1.6 1.4 1.2 (100%) 1.0A 1 iuvw + re iuvw θ^re Position Estimator θ^ IPM SM 劣化の原因であった。そこで，(1) 式に基づき，拡張誘起電圧の振幅を一定以上の値に維持するような重畳信号の振幅 Ii を与える。このようにすることで，位置推定に必要な信号レベルを効率良く確保することが可能となる。 Torque [Nm] 1. はじめに 1.5A 2.0A 0.8 Ii=0.5A 0.6 (50%) * vdq Fig. 1 提案するセンサレス制御系 3. 低速域における補助電圧生成法 Fig.1 のような制御系において，得られる拡張誘起電圧は (1) 式となる。 Lq −Ld e ˜ ≈ ωre {KE +(Lq −Ld)It sinφ}+ωi √ Ii2 sinφ εJθreJu 2 2 (1) ここで，J は 2×2 交代行列，εJ θre は回転行列，u は d 軸方向の単位ベクトル，φ は最大トルク制御座標系の位相角を表す。前述したように，低速域においては，速度起電力の低下に伴い，位置情報を持つ拡張誘起電圧の振幅が減少することが性能 0.4 2.5A 0.2 0 -50 0 50 100 150 200 250 300 Speed [r/min] Fig. 2 S-T 特性と信号電流振幅 5. まとめ低速域において，拡張誘起電圧の振幅を維持するために，付加的な信号重畳を行い，拡張誘起電圧オブザーバによるセンサレス制御が有効な速度範囲を低速域へ拡大する方法を示した。文献（ 1 ）大沼・道木・大熊：H22 電気学会全国大会 4-100 （ 2 ）大沼・道木・大熊：H22.6 月電気学会研究会資料 SPC-10-85 平成22年度電気関係学会東海支部連合大会（2010年8月30日～31日於中部大学）