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。

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。

・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)

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.

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.

・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.