平成 17 年電気学会産業応用部門大会

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擬似電流形インバータを用いたモータのセンサレス運転特性の改善
超高速高田 陽介

野口 季彦

キーワード：超高速長岡技術科学大学

山下 幸生

茨木 誠一

三菱重工業株式会社

モータ 擬似電流形インバータ，センサレス運転

はじめに
筆者らはターボチャージャやスーパーチャージャの電動化を目指して，擬似電流形インバータを用いた超高速モータ駆動システムの研究開発を推進してきた
回転数がないし。最高で，定格出力が以上という目標仕様を設定し，試作機による実験検証を重ねてきた。このような超高速モータは基本波周波数がと非常に高く，電機子巻線の自己インダクタンス数未満と極めて小さいため，通常の電圧形がインバータでは正弦波状に電流制御することは困難である。一方で，電流形インバータを使用したのでは装置が大型化し，効率面でも問題がある。そこで直流バスに電流制御形チョッパを挿入し制御電流源として動作させる擬似電流形インバータを超高速モータの駆動に採用した。
この擬似電流形インバータを用いた駆動システムでは，

図

超高速モータ駆動システム

モータの端子から誘起電圧を検出し，これに同期した通電波形の電流をモータに流し込むセンサレス駆動が行われる。しかし，重負荷時に電機子巻線のインピーダンスドロップのため端子電圧からは正確な磁極位置を検出するこ

従来の超高速モータ制御アルゴリズムとができない。その結果，モータ効率や力率など種々の運擬似電流形インバータの基本的な制御回路を図 に示す。

転特性を悪化させる。
本稿では，最高回転数の超高速定格出力

擬似電流形インバータは直流バスで電流制御を行うチョッパモータを対象として，上記インピーダンスドロップを補償する手法について検討し，計算機シミュレーションにより良好な結果が得られたので報告する。

通電を行う

ステップインバータから構成されている。まず，ホールを用いて直流バスリアクトル電流と，をフィードバックし，チョッパの［I - 375］とをスイッチ平成 17 年電気学会産業応用部門大会

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ングすることにより直流電流の制御を行う。このとき，両ス〜イッチング素子のスイッチング周波数をと高周波化することによりリアクトルの低インダクタンス化を図りつつ，直流バスを高速応答可能な制御電流源として機モータの力行時は能させる。

をオンすることにより直流電源から電流を流すと同時に，がオフになると積する。にエネルギーを蓄を通じて電流が還流するに蓄えられたエネルギーを放出する。イ

ことによって，毎に転流する際，モータの巻線インダクタンバータがンスにより高電圧が発生するが，これはバイパスダイオードと〜のボディダイオードを通じて直流バス電圧にクランプされる。したがって，従来の電流形インバータのように逆阻止能力をもつスイッチング素子は不要であり，や一般的なを使用することができる。

一方，インバータ部の波形形成は，モータ誘起電圧を利用した磁極位置センサレス制御アルゴリズムに基づいて実。まず図現されているに示すように，モータ端子図

電圧を検出し，折れ点角周波数の非常に低い一次遅れ要素通電パターン位相補償アルゴリズムを用いて近似積分することにより磁極位置情報に変換する。
これをコンパレータによりゼロクロス検出し，組み合わせ論理回路を用いて近似的にモータ内部誘起電圧と同期した通電パターンを生成するものである。
しかし，このように単純なセンサレス制御アルゴリズム
では重負荷時にモータ電流が増加した際，電機子巻線のインピーダンスドロップにより内部誘起電圧位相の真値と推定値の間に大きな誤差が生じ，モータ効率や力率などの運転特性を劣化させる。

通電パターンの位相補償法
提案する

通電パターンの位相補償アルゴリズムを適に示す。同図に示したように，近似積用した制御系を図分により得られた磁極位置情報を二値化した後，タイマーを用いて電機子巻線のインピーダンスドロップに起因した進み位相を補償する。この補償すべき進み位相はチョッパから演算し，のリアクトル電流延時間

通電パターンの遅回路では，このタイマーにセットされた遅延時間け位相遅れシフトした

超高速モータのベクトル図だ通電パターンを生成する。また，タイマーは相のコンパレータ出力が切り換わる毎にリセットされ，も同時に書き換えられる。したがって，最大図としてタイマーに送られる。組み合わせ論理

相の内部誘起電圧 速度起電力
モータの角速度モータの速度起電力定数まで位相を調整することができる。に誘起電圧に対電機子巻線のインピーダンスドロップする検出電圧の位相進み角の関係を表したベクトル図を示検出された 相の端子電圧
この式からそれぞれの関係をベクトルで表すと図図す。図にモータ相分の等価回路，において，超高速モータの巻線抵抗は数と非常に小さいので無視し，内部誘起電圧と同相に通電パターンが形成されるとすれば，以下の式が成立する。のようになり，電機子巻線のインピーダンスドロップを考慮しなければ，磁極位置情報と等価であるよりだけ進んだ位相を誤って位置情報とすることがわかる。ここで，補償すべき位相を求めると，次のとなるので， は電機子電流の振幅情報だけで求めることができる。

［I - 376］

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図

理想的な通電パターンと実電流波形

また，実際の電流波形はをピークとした形であることを考慮し，その基本波を通電波として考えると，は次のように変形することができる。

したがって，直流バスの電流制御チョッパを制御する際にフィードバックされるリアクトル電流図を用いて補償位相，シミュレーション結果を計算することができる。

における次に転流時間の影響についても検討する。擬似電流形イ通電動作が行われるが，相ンバータの逆変換部ではシミュレーションによる運転特性の検証

間で電流が転流する際，巻線インダクタンスのサージ電圧は直流バス電圧にクランプされるため，図のように電流の変化率が制限された台形波になる。したがって，本来の通電矩形波パターンに対して更に転流時間の遅れ較検討した。図に，時のシミュレーション結果を示す。この結果より，提案方式においては電機子巻線のインピーダンスドロップを考慮していが生じるため，これを補償しなければならない。
転流中は擬似電流形インバータが単なる電圧形インバータとして振舞うことを考慮すると，電機子巻線抵抗を無視した回路方程式から，以下のように転流時間

従来方式と提案方式を計算機シミュレーションにより比を求めるこるため，モータ内部誘起電圧に対して線電流が同相に制御されていることがわかる。
図と図に対するモータの内部誘起電圧と電流の基本波

流指令値とができる。にそれぞれ，従来方式と提案方式における電位相差を示す。両者を比較すると，従来方式に比べて提案方式の方が位相差が小さく力率が改善されていることが窺，われる。特に，，直流バス電圧からタイマーに送られるは延時間も電流位相が進むのに対し，提案方式では来は通電パターンの遅のときは，従の位相差に抑制されている。また，従来方式においてでのように定式化される。

，

でより大きな電流を流した場合，正常に電流波形を形成できなくなったためデータをプロットしなかった。これに対し，提案方式
でにおいては，でモータの回転周期
ただし，モータ回転周期 はタイマーがリセットされる直前のピーク値を 倍することによって計算する。また，転流中の電流は，の改善に効果が大きい。
さらに，図
流指令値と図にそれぞれ従来方式と提案方式の電に対するインバータ出力特性を示す。提案方式

ではモータ電流が誘起電圧と同相となるように補償されるよりもため，インバータ出力自体も増大することがわかる。特に，小さくなるため，補償する転流期間を算出する。今回はションを行った。

通電波形が形成でき，制御限界の全スイッチングパターンにおいて減少する。したがって，実際の転流期間はてまで正常にに補正係数を乗じとしてシミュレー

従来方式では，のときによりも電流指令値を大きくすると電流波形の形成が正常に行われず，インバータ出力で［I - 377］程度しか確認すること

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図

電流指令値に対するモータ誘起電圧・電流の基本波位相差 従来方式

図

電流指令値に対するモータ誘起電圧・電流の基本波位相差 提案方式ができなかったが，提案方式では同じでもまでモータ電流を流入できるため，

まと電流指令値に対するインバータ出力
従来方式

図

電流指令値に対するインバータ出力
提案方式

高田陽介・野口敏彦・山下幸生・小松喜美・茨木誠一：「車載スーパーチャージャの超高速電動ドライブ」電気学会自動車研究会資料のインバータ出力を得ることができた。

図

（ ）

め
高田陽介・野口敏彦・山下幸生・小松善美・茨木誠一 「ターボチャーモータ駆動システム」平成年電ジャ用気学会産業応用部門大会講演論文集

擬似電流形インバータを用いた超高速モータの磁極位置センサレス駆動方式について検討し，計算機シミュレーションによる比較検証を行った。重負荷時の大電流による電機（ ）子巻線のインピーダンスドロップと擬似電流形インバータ特有の転流時間を補償することにより，通電電流波形とモータ内部誘起電圧の位相差を大幅に減少させることが秋山和成・深田隆文・寺内勝実・大堀勇二 「超高速永久磁石式電動機のインバータ制御」 平成 年電気学会全国大会（ ）できた。本手法によりインバータ・モータシステムとして更なる出力増大が見込めることを示した。今後は実機検証により運転特性の改善を実証していく所存である。

文献

小金沢竹久・高橋 勲・大山和伸：「擬似電流形インバータによるモータのセンサレス制御」平成 年電気学会産業応用部門大会
講演論文集
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