Rongjiao HAO – 道木研究室

Rongjiao HAO

名前:
Hao Rongjiao
学年/肩書:
博士課程前期課程1年
役職:
イベント班所属
グループ:
モータ
趣味:
研究,翻訳,ゲーム

研究テーマ / Research topic

拡張誘起電圧における位置センサレス制御を用いた永久磁石同期モータフリーラン状態からの再起動法


拡張誘起電圧における位置センサレス制御を用いた永久磁石同期モータフリーラン状態からの再起動法

Research Theme

Performance Evaluation of Restarting from Free-running State in Position Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor with Extended ElectroMotive Force


キーワード / Keywords

永久磁石同期モータ,フリーラン起動,位置センサレス制御,拡張誘起電圧

Permanent Magnet Synchronous Motor, Position sensorless control, Free-run startup, Extended ElectroMotive Force(EEMF)

English ver. Japanese ver.

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私は、拡張誘起電圧における位置センサレス制御について研究しています。現在は、永久磁石同期モータフリーラン状態からの再起動法についての研究を行っています。

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永久磁石同期モータ(PMSM)とは?

永久磁石同期モータ(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)は、交流電圧によって駆動される交流モータで、家電・電気自動車などで幅広く応用され、高効率・高精度・高出力密度・低騒音などの特徴を持つことが知られております。

 

位置センサレス制御とは?

PMSMを電流ベクトル制御するためには、回転子の内部にある磁石の磁極位置情報が必要となります。通常は、磁極位置情報を取得するためにはモータ軸上に位置センサを取り付ける必要があります。しかし、位置センサを利用すると、コストの増加や、設置スペース、配線の断線リスク等の問題点が生じてしまいます。また、インバータが設置してある電気室と電動機を設置する場所とが離れている場合、位置検出信号用としては、耐雑音性を向上させるための低レベル信号線としての配線工事が必要であり、コストアップの要因となります。

図1. PMSM概略図

図2. PMSMと位置センサ

現在、システムの堅牢性・低コスト化・省スペース化などの要求から、位置センサの代わりに、印加電圧・測定電流と数式モデルから位置情報を計算する位置センサレス制御が強く期待され、現在産業では既に実用化段階へ進んでいます。

図3.位置センサレス制御

 

位置センサレス制御を用いたフリーラン状態からの再起動とは?

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鉄道列車や電動コンプレッサーなどのアプリケーションでは、停電後モータ回転が継続してる状態(即ちフリーラン状態)から、電流制御を再起動する必要がある場合があります。しかし、位置センサレス制御を用いて、フリーラン状態のモータを再起動する際は、負荷への電力供給源がフィルタコンデンサのみとなり、力行に必要な電力をコンデンサから供給することにより、コンデンサの両端電圧が瞬時に低下する。中高速で回転するPMSMは速度起因の誘起電圧が大きく励起され、電圧源となり、低電圧状態のインバータ側に逆流電流が流れ込む問題が発生します。

図4.フリーラン状態からの再起動

図5.駆動回路で流れ込む逆流電流

もし逆流電流を放置すると、インバータ電流制限値を超え、過電流となり、最終的にインバータ破損する危険があります。

 

 

現在の取り組み

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従来研究では、安全に再起動したいため、電流抑制した後位置推定を実施しました。しかしこうすると、位置推定開始までに抑制時間が発生し、再起動時間が長くなり、最後の駆動開始が遅れて、指定した速度から再起動することが困難です。

図6.従来研究

私は、永久磁石同期モータ位置センサレス制御の再起動時間の短縮を研究していました。もし特別な細工なしで再起動時間を短縮したい場合は、位置推定前の電流抑制を省略し、推定位置を利用する電流制御で過電流を抑制することになります。

図7.電流制御で過電流を抑制する手法

この考え方を利用するには、前提として電流制御が過電流立ち上がる前に確立する必要があります。しかし、従来では過電流の数式検討がされず、実験環境の変化に伴い試行錯誤で時間がかかる実験が行なわれていた。従って、私はフリーラン状態から再起動する際に流れ込む逆流電流の過電流立ち上がり時間の数式検討を行いました。

これまで、私はコンデンサ電圧が0と仮定し、過電流立ち上がり時間の数式モデルを求めてきました。現在の取り組みとしては、全速度域の推定に適している位置推定器『拡張誘起電圧(EEMF)モデル』を用いて、過電流数式モデルと組み合わせて、PMSMフリーラン状態からの再起動アルゴリズムを検討しています。

 

 

関連研究

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・二村 拓未, 道木 慎二: “信号重畳と速度により励起される拡張誘起電圧を利用した永久磁石同期モータの全速度域位置センサレス制御”, 電学論D, vol.140, No.8, pp.589-596

・近藤 翔太, 道木 慎二, 松本 純, 冨田 睦雄: “PMSM位置センサレス制御のための仮想誘起電圧に基づく制御用モデルに関する考察”, 電学論D, vol.139, No.1, pp.1-12

・小櫻崇雅,道木慎二:”位置推定と極性判別を同時に行う永久磁石同期モータの始動時磁極位置推定法の性能向上”,令和3年電気学会全国大会,2021

・小櫻崇雅,道木慎二:“拡張誘起電圧を用いた永久磁石同期モータの位置センサレス制御におけるフリーラン状態からの再起動の検討”, MD/RM/VT合同研究会,MD-21-086,RM-21-050,VT-21-011(2021)

・Hao・小櫻・道木:“拡張誘起電圧における位置センサレス制御を用いた永久磁石同期モータフリーラン状態からの再起動法の性能評価”, 2021年電気学会産業応用部門大会, 3-23(2021)

 

 

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English.ver

 

My research theme is the position sensorless control of permanent magnet synchronous motors with Extended-Electromotive Force(EEMF), and my present work is about startup and driving strategy from the free-running state for position sensorless PMSM.

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What is Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSM)?

Permanent Magnet Synchronous Motor is AC motor driven by three-phase AC voltage, widely used on home appliances and electric vehicles. PMSM is characterized by high-power density, good controllability and satisfactory efficiency.

 

What is the position sensorless control ?

The direction of the N-pole of the magnet inside the rotor is necessary for the current control of PMSM. And normally, position/speed sensors are used to get the magnetic pole position information. However, the sensors mean the practical problems such as risks of cable disconnection and high costs.

Fig.1. PMSM

Fig.2. PMSM and position sensor

For decades, sensorless control methods for PMSM drives, which use motor model and current to calculate the position, have been studied to solve the problems that come from the position/speed sensors, and these solutions have been widely used in various applications recently to increase reliability.

Fig.3.Sensorless Control

 

What is the startup from free-running state(flying start) ?

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Some applications, such as fan and turbine systems, despite the many advantages, still hesitate to apply sensorless control because of some certain situations. One of these situations is starting up the sensorless control from the free-running state, known as a flying start. In the middle/high-speed range, the PMSM’s high electromotive force causes the inrush current fault due to the low capacitor voltage after the power short-down.

Fig.4. A Flying start

Fig.5. Inrush current Fault

If the inrush current can’t be suppressed quickly, it will increase and fly over the current limit of the inverter, becoming overcurrent, which leads to the inverter’s breakdown.

 

 

Recent Research

more details

To make sure a safe startup, some of the conventional research on flying start will suppress the inrush current before the position estimation. However, this method requires more suppressing time before the position estimation, leading to a longer startup time.

Fig.6. The Conventional Research

My recent research is about the reduction of the startup time from free-running state. In order to reduce the startup time with the simplest approach, the suppressing time should be skipped, and the auto current control can be used to avoid the overcurrent with the estimated position.

Fig.7. Avoid the overcurrent with the estimated position

This method requires that the current control should work before the inrush current becomes the overcurrent, which means a quick position estimation is necessary. Nevertheless, there is no conventional research about the time for the inrush current becoming overcurrent. So I am calculating the math model of the overcurrent when starting a PMSM from the free-running state.

Recently, I have proposed the math model of the overcurrent setting the capacitor voltage to zero. Now I am working on the free-running startup in position sensorless control of PMSM with Extended ElectroMotive Force(EEMF) using the overcurrent model.

 

 

References

more details

・Z. Chen, M. Tomita, S. Doki, and S. Okuma, “An Extended Electromotive Force Model for Sensorless Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors”, IEEE Trans. Industrial Electronics,vol.50,No.2,pp.288-295, 2003.

・T. Nimura, and S. Doki, “Position Sensorless Control of IPMSM in Overall Speed Range by Extended EMF”, 21st European Conference on Power Electronics and Applications(EPE’19 ECCE Europe), Genova, Sept. 2019.

・K. Kitamura, T. Nimura, and S. Doki, “Position Sensorless Control Method by Using Redefined Extended Electromotive Force for All-Speed-Range Drive of IPMSM and its Evaluation on Electric Vehicle”, 2020 IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics(ISIE), Delft, Netherlands, 2020.

・T. Kozakura, T. Nimura, S. Doki, “The improvement of initial rotor position estimation method with Extended-EMF available at overall speed range by exciting with speed and signal injection”, 23rd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Hamamatsu, Japan, 2020.

・You ZihCing, and ShengMing Yang,“A Restarting Strategy for Back-EMF-Based Sensorless Permanent Magnet Synchronous Machine Drive”, Energies 2019, vol. 12, No.9:1818, 2019.

・Hao, K. Kitamura, S. Doki,“Performance Evaluation of Restarting from Free-running State in Position Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor with Extended ElectroMotive Force”, 2021 IEE-Japan Industry Applications Society Conference, 3-23,2021.

 


    国内会議予稿
  • Hao Rongjiao , 小櫻崇雅 , 道木慎二,``拡張誘起電圧における位置センサレス制御を用いた永久磁石同期モータフリーラン状態からの再起動法の性能評価'', 2021年電気学会産業応用部門大会講演論文集, 2021.