電流源形モータエミュレータに要求される電流応答の実機検証
学生員

田中元粋

正員

渡辺大貴

上級会員

伊東淳一

(長岡技術科学大学)
Experimental Verification of Current Response Required for Current Source Type Motor Emulator
Gensui Tanaka, Student Member, Hiroki Watanabe, Member, Jun-ichi Itoh, Senior-member(Nagaoka University of Technology)
This paper focuses on stability issues in inverter test system using a current source type motor emulator. Current
source type motor emulator cause control instability due to interference with the current control of the inverter undertest. This paper experimentally verifies the current control bandwidth required for the current source type motor
emulator to prevent interference between the current controls of both the current source type motor emulator and theinverter under test. The experimental results indicate that interference among current controls is prevented by setting
the current control bandwidth if the current source type motor emulator to four times the current control bandwidth of
the inverter under test. In addition, comparison of the analytical results shows that the current detection delay affects
the stability.
キーワード：電流源形モータエミュレータ，電流応答，安定性

Keywords：Current source type motor emulator, Current response, Stability

1.

されている電流制御との干渉により不安定化する(5)(6)。この

はじめに電流制御器間の干渉は，電流源形モータエミュレータの電モータ駆動技術の開発をモータベンチのような実負荷を流制御帯域を被試験インバータの電流制御帯域よりも十分用いて行うには，駆動対象モータや負荷モータ，負荷モータ高く設計することで防止できる。一方，電流源形モータエミ駆動用インバータ，カップリングなど多くの機器が必要でュレータの電流制御帯域を十分に高くするためにはパワーあるため試験コストが高くなる。さらに，EV 用モータに代デバイスやコントローラに高い性能が要求される。

表される高速，高出力密度などの特徴を持つ特殊仕様モーそこで著者らは，これまでに電流源形モータエミュレー

タの駆動技術開発は，設計開発要素が大きく開発に時間をタの不安定化を防止するために必要な電流制御帯域に着目

要する駆動対象モータが試験に必要になるため，駆動技術し，電流源形モータエミュレータに必要な電流制御帯域にを含むインバータの開発期間も長期化する懸念がある。そついて，解析とシミュレーションにより検討してきた(7)~(9)。のため，試験にかかるコストと時間を削減できる新たな試

しかし，これまで実機による妥当性の検証はされていない。

験方法が求められている(1)。

本論文では実機にて電流源形モータエミュレータを使用

実負荷を用いずに試験を行う方法として，モータエミュしたインバータ試験システムを構築し，電流源形モータエレータの導入が進められている(2)~(6)。モータエミュレータはミュレータの安定性と電流制御帯域の関係について実験的電力変換器によりモータの挙動を模擬することでモータ負に検証する。さらに，これまで解析とシミュレーションによ荷を実現できるため，駆動インバータとそのコントローラ，り検討した結果と比較し，妥当性を検証する。

制御系の試験を実負荷を用いることなく実施できる。

2.

モータエミュレータは電圧源形(2)(3)と電流源形(4)~(6)の 2 種

電流源形モータエミュレータ類に大別される。中でも電流源形モータエミュレータはモ

図 1 に電流源形モータエミュレータを用いたインバータータ負荷としての精度や汎用性の高さからモータ駆動用イ試験システムの構成図を示す。電流源形モータエミュレーンバータの試験に適していると考えられる。しかし，電流源

タはカップリングインダクタと PWM 整流器で構成され，カ形モータエミュレータの制御は，被試験インバータに実装

ップリングインダクタの他方が被試験インバータに接続さ1れる。コントローラは被試験インバータの出力電圧と相電

Inverter Under Test

Current Source Type Motor Emulator
Lrec

流を検出する。被試験インバータの出力電圧とモータモデルから算出したモータ電流を指令値として電流制御を行うことでモータ電流を模擬し，モータ負荷を実現する。

CurrentSensing

本論文では模擬対象を埋込磁石同期電動機(IPMSM)とし，VoltageSensing
vdq

モータモデルとして(1)式で表される状態方程式をオイラー法にて DSP に実装する。
R
 −iLd d P  =iq   − Ld
reLqDriveControllerLq  vd re    0Ld  id   Ld  ++  re m  .............. (1)−R  iq   vq −Lq   Lq  Lq Fig.1

ここで，idq は dq 軸電流，vdq は dq 軸電圧，R は固定子巻線

reEq.(1)
Eq.(2)
Eq.(3)

Current
Sensing
idq
idq *PIPWM
Current ControlTLToutre*
System configuration diagram of inverter test system using
current source type motor emulator.

抵抗，Ldq は dq 軸インダクタンス，re は回転子電気角周波数，m は永久磁石の鎖交磁束数，P は微分演算子である。
また，仮想的なモータの回転数や位相情報，出力トルク Tout

id*は(2)，(3)式によって電流源形モータエミュレータのコント

1R+sLdPIローラ内で算出され，位相情報は被試験インバータのコンPIidLdトローラに送られる。

reLrec×

Tout = p{ miq + ( Ld − Lq )idiq } ................................................ (2)rereLrec

×Pre =1sLrecp(Tout − TL ) .............................................................. (3)JLqiq*

ここで，p は極対数，J は慣性モーメント，TL は負荷トルク

1R+sLdPIPI1sLrec

iqである。

3.

理論的な安定限界

Current control loop of IUT
Current control loop of ME
Fig.2 Block diagram of inverter test system using current source
type motor emulator.

図 2 に電流源形モータエミュレータを用いたインバータ試験システムのブロック図を示す。図 2 に示すように，電流Stability limit[Hz]

源形モータエミュレータの電流制御ループは，被試験インバータの電流制御ループの内部に存在する。そのため，2 つの電流制御帯域が近いときに電流制御間で干渉が発生し，システムが不安定に陥る。この干渉を防止するためには，電流源形モータエミュレータの電流制御帯域を被試験インバータの電流制御帯域よりも高く設計する必要がある。

Fig.3

図 3 に被試験インバータの電流制御帯域に対して電流源

4000
20001277
1033
0：with time delay：without time delay

0200
400 500 600
800
1000
Current control bandwidth of IUT [Hz]Stability limit when the current control bandwidth of IUT
varied from 100 Hz to 1000 Hz(9).

形モータエミュレータに要求される電流制御帯域を示す。

留まっている。そのため電流検出等の遅れを考慮しきれてなお，図 3(a)はシステムに遅れの要素のない理想的モデルにいない。そこで，実機にて得られた安定限界とこれまでの理おける解析結果，図 3(b)は PWM 出力部に電圧指令更新によ論検討結果を比較することにより未考慮の遅れ要素の所在る 1 サンプル遅れを一時遅れ系として挿入したモデルにおを明らかにし，安定性に影響する要素を特定する。

ける解析結果である。図 3 において被試験インバータの電4.

流制御帯域が 500Hz のとき，理想モデルにおいて電流源形実機検証
図 4 に実験構成，表 1 に本論文でモータエミュレータに要求される電流制御帯域は 1033 Hz〈4･1〉 実機構成であり，被試験インバータの電流制御帯域の約 2.1 倍であ模擬対象とする IPMSM のモータパラメータ，表 2 に実験条る。一方，遅れを考慮したモデルにおいて要求される電流制件を示す。被試験インバータのコントローラにはベクトル

御帯域は 1277 Hz であり，被試験インバータの電流制御帯域制御を実装する。このとき，d 軸電流指令はゼロとし，q 軸の約 2.6 倍となる。これは，遅れ要素により極が不安定方向

電流指令値はトルク指令より決定している。電流源形モーに推移するためである。従って，電流源形モータエミュレー

タエミュレータのコントローラにはモータモデルとカップタへの要求帯域はシステム内の遅れ要素により増加する。

リングインダクタに対する電流制御を実装している。また，

しかし，これまでの検討は電圧指令の更新による 1 サン

カップリングインダクタの dq 軸上での干渉を取り除くためのフィードフォワード補償を適用する。

プル遅れを一次遅れ系で模擬した連続系モデルでの解析に
2

実際の電流源形モータエミュレータでは被試験インバー

Inverter Under Test

タの出力電圧を検出する。しかし，PWM 電圧の検出には高Current Source Type Motor Emulator
Lrec

サンプリングの A/D 変換器による検出や LPF の挿入によるスイッチング成分を除去する必要がある。そこで，被試験イ

Vdc _IUT

ンバータの D/A 変換器において電圧指令値をアナログ値にVdc _ME

PWM変換し，モータエミュレータの A/D 変換器で再度ディジタル値に変換することで指令値を授受している。さらに，モー3f/dq

タの位相情報は，電流源形モータエミュレータのコントロvdq *modeldq/3f
PIreLrec

1/KT

源形モータエミュレータの D/A 変換器でアナログ出力し，*

re Tout
T* id*
Fig.4 Configuration of experiment.

被試験インバータ A/D 変換器を用いて授受している。
〈4･2〉 実験結果

* idq
Motor idq

PIで得られるのこぎり波を電圧指令値の授受と同様に，電流PWM

qiq iddq/3f

ーラ内で算出する仮想的なモータ回転速度を積分すること

3f/dq

図 5 に仮想モータを加減速したと

Table 1 Motor parameters of target IPMSM.
Parameter
SymbolValue
Output powerPn
3.7 kW
Maximum speedn7200 r/min
Output torqueTn
4.91 N・m
Pole pairs
p2
Winding resistance
R116 mWd-axis inductanceLd
2.59 mH
q-axis inductanceLq
3.63 mH

きの波形を示す。このとき，3 N・m のトルクで 500 r/min から 2000 r/min に加速し，-3 N・m のトルクで 2000 r/min から500 r/min に減速するようにトルク指令を与えている。また，
被試験インバータの電流制御帯域を 500 Hz，電流源形モータエミュレータの電流制御帯域を 3000 Hz としている。図 5に示すように，3 N・m のトルク指令を与えたときに正の q軸電流が流れて加速していき，-3 N・m のトルク指令を与え

flux linkage ofpermanent magnet
Moment of inertia

たときに負の q 軸電流が流れて減速していることが分かる。
また，回転数の変化に応じて位相の傾きが変化し，電流の周波数に反映できている。以上より，被試験インバータでトルク制御を行ったときの動作を確認した。

Ym

0.0905 Wb

J

30×10-4 N・m

Table 2 Experimental conditions.
SymbolValue
Parameter
280 V
DC link voltage of IUT
Vdc _IUT
DC link voltage of ME
Vdc _ME
320 V
Coupling inductor
Lrec
1.73 mH
Current control bandwidth of IUT fc_IUT
500 HzSwitching frequency of IUT
fsw_IUT
10 kHzSwitching frequency of ME
fsw_ME40 kHz

図 6 に 3 N・m のトルクステップ指令を与えたときの波形を示す。このとき，被試験インバータの電流制御帯域は 500Hz としている。図 6 より電流源形モータエミュレータの電流制御帯域が高いほど，トルク応答のオーバーシュート及び電流ひずみが少ないことが分かる。よって，モータの模擬精度は電流源形モータエミュレータの電流制御帯域を上げることで向上させることができる。また，図 6(b)ではトルク

N [2k r/min/div]

応答に振動が発生しているものの減少傾向にあるが，図 6(c)では持続的に振動が残存している。さらに，三相電流波形ひ0ずみも大きく，モータ電流及びトルクを再現できていない

0ことがわかる。従って，本実機検証における安定限界は 2000

0Hz~2050 Hz の間であり，被試験インバータの電流制御帯域0q [10rad/div]

T [5N・m/div]
iq [20A/div]の約 4 倍である。しかし，この結果にはこれまでの理論検討結果との差異が存在する。そこで，次節にてその差異の要因0について考察する。
〈4･3〉 理論検討との比較

図 7 に電流源形モータエIuv w [10A/div]
100 [msec/div]
Fig.5
Waveform during acceleration and deceleration.

ミュレータを用いたインバータ試験システムに遅れを挿入したシミュレーションモデルを示す。シミュレーションでは図 4 の構成を連続系で実装し，以下の 2 つの部分に遅れ実験から得られた安定限界は 2050 Hz としている。遅れ要素要素を挿入した。のない連続系では安定限界となる電流源形モータエミュレ①PI の出力(電圧指令の更新による遅れを想定)

ータの電流制御帯域は，実験から得られた安定限界よりも②電流フィードバック(電流検出による遅れを想定)低い 991 Hz であり，誤差は 51.6%である。そこへ，これま

なお，被試験インバータと電流源形エミュレータはスイッでの解析と同様に PWM 出力部に遅れを挿入した場合の安チング周波数が異なるため，それぞれのサンプリング時間定限界は，実験から得られた安定限界よりも低い 1501 Hz でによる遅れを追加している。

あり，誤差率は 26.8%である。従って，これまでの解析では

表 3 に遅れ要素を挿入した際の安定限界を示す。ここで，未考慮の遅れ要素があることが分かる。そこで，電流検出部
3分に遅れを挿入すると誤差率は 16.4%と減少する。このと作用するため 16.4%の誤差があるが，電流検出の遅れが安定

き，シミュレーションから得られた安定限界は実験から得性に影響していることを確認した。

られた安定限界よりも高い 2386 Hz である。ただし，実験で今後は，電流源形モータエミュレータのモータ模擬性能は損失が発生しダンピングとして作用するため，実験からの向上を目的として，高速電流応答化について検討する予得られた安定限界の方が低くなることが考えられる。従っ定である。て，これまでの解析で検討できていなかった主な遅れ要素は検出の遅れである。

5.

id*

まとめ

1R+sLdPI×

用したインバータ試験システムを構築し，電流源形モータエミュレータの安定性と電流制御帯域の関係について実験

×は被試験インバータの電流制御帯域の約 4 倍となった。本iq*

いて検討した。結果，実機では回路損失がダンピングとしてFig.7

4[msec/div]

N [5k r/min/div]

T [2N・m/div]0iq [5A/div]

04[msec/div](b) fc_ME is set to 2050Hz
N [5k r/min/div]

T [2N・m/div]0iq [5A/div]

0Iuv w [10A/div]

Fig.6

11+s(1/fSW_ME)

PI1sLreciq

献(１) Konstantin Etzold, Timm Fahrbach, Serge Klein, Rene Scheer, Daniel Guse,
Marc Klawitter, Stefan Pischinger, and Jakob Andert, "Function
Development With an Electric-Machine-in-the-Loop Setup: A Case Study",
in IEEE Transaction on Transportation Electrification, vol. 5, No. 4,
December, 2019, pp. 1419–1429.
(2) K. Saito and H. Akagi, “A Real-Time Emulator of a Medium-Voltage HighSpeed Induction Motor Loaded With a Centrifugal Compressor”, in IEEE
Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 5, pp. 4821–4833,
September/October 2019.
(3) Kenichiro Saito, and Hirofumi Akagi, “A Real-Time Real-Power Emulatorfor a Medium-Voltage High-Speed Electrical Drive: Discussion on
Mechanical Vibrations”, in IEEE Transaction on Industry Applications, Vol.
57, No. 2, March/April 2021.
(4) Nimananda Sharma, Georgios Mademlis, Yujing Liu, and Junfei Tang,“Evaluation of Operating Range of a Machine Emulator for a Back-to-Back
Power-Hardware-in-the-Loop Test Bench”, in IEEE Transaction on
Industrial Electronics, Vol. 69, No. 10, October 2022.
(5) K. S. Amitkumar, R. Sudharshan Kaarhik, and Pragasen Pillay, "A Versatile
Power-Hardware-in-the-Loop-Based Emulator for Rapid Testing ofTransportation Electric Drives," in IEEE Transaction on Transportation
Electrification, vol. 4, no. 4, December 2018.
(6) Lei Zhu, Dong Jiang, Ronghai Qu, Leon M. Tolbert, and Qiao Li, "Designof Power Hardware-in-the-Loop Simulations for Integrated StarterGenerator Systems," in IEEE Transaction on Transportation Electrification,
vol. 5, no. 1, March 2019.
(7) 田中 元粋，三浦 克樹，安田 匠，伊東 淳一，”電流源形モータエミュレータの電流制御帯域の設計法”，2022 年産業応用部門大会,
Y-69, 2022.
(8) 田中 元粋，三浦 克樹，伊東 淳一，”電流源形モータエミュレー
タに要求される電流応答の明確化”，半導体電力変換/モータドライ
ブ合同研究会，SPC-23-043，MD-23-043，2023.
(9) Gensui Tanaka, Katsuki Miura, Keita Ohata, Hiroki Watanabe, Jun-ichi Itoh,and Ikuya Sato, “Analysis of Current Control Bandwidth in Current Source
Type Motor Emulator”, in 11th International Conference on PowerElectronics (ICPE2023-ECCE Asia), pp. 1080-1087, 2023.

(a) fc_ME is set to 3000Hz

0:

Simulation model with time delay.

文00,

Relationship between delay time and stability limit
Stability limit Error
condition
51.6%
Without delay
993 Hz1501 Hz
26.8%
With PWM delay
With PWM and detection
2386 Hz16.4 %
delay andiq [5A/div]

Iuv w [10A/div]

11+s(1/fSW_IUT)

Table.3

T [2N・m/div]00

1R+sLdPI

N [5k r/min/div]0:

Lq

結果を理論的に必要な電流制御帯域と比較しその差異につIuv w [10A/div],re的に検証した。実験の結果，電流源形モータエミュレータに

0id

Ld

本論文では，実機にて電流源形モータエミュレータを使

01sLrec

PI4[msec/div](c) fc_ME is set to 2000Hz
Waveform of torque step response.

4