研究テーマ / Research topic
インバータ非線形領域を用いた永久磁石同期電動機ベクトル制御に適したフィルタ設計法
1. Motor Drive System for Electric Vehicles.
電動車におけるモータ駆動システム
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Electrical motors are widely applied in various applications such as railway vehicle, industrial equipment, consumer electronics and so on. Recent years, cars also employ the electrical motor for reducing the emission of CO2 and saving the environment. Electric cars strongly demand the power density for the motor drive system which includes the electrical motor, the inverter, the controller, sensors, and the battery. The battery is one of the biggest, heaviest and the most expensive element in the motor drive system. Therefore, we are working for reducing the size of the battery by bringing out the potential of the battery unit.
モータは輸送分野・産業分野・家電民生分野で幅広く利用される電気機器です。昨今ではCO2排出量削減や，地球環境保護の観点から，エンジンに代わる動力源として自動車に搭載される事例が増加しています。電動車の用途ではモータ・インバータ・コントローラ・センサ類，そしてバッテリからなる「モータ駆動システム」の高出力化が強く要求されます。中でも「バッテリ」はモータ駆動システムのサイズ・コスト・重量を左右する重要な機器です。そこで，私たちはバッテリの性能を限界まで引き出す制御技術について研究することにより，より小さなバッテリで，高出力密度・低コストなモータ駆動システムの実現を目指して検討を行っています。
2. Overmodulation technique for Power Enhancement of the Drive system.
過変調駆動を利用したモータ駆動システムの高出力化
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AC motors are employed in most of electrical cars because of its high efficiency and maintainability. AC motors require AC power to rotate, however the battery cannot output AC power directly. Therefore, the inverter is necessary to convert the DC power of the battery to the AC power. There are several ways to convert the DC power to the AC power. In general, the inverter is utilized in the linear modulation region, in which region the inverter output sinusoidal voltage, however we intentionally operate the inverter in the linear modulation and drive motors with by trapezoidal wave voltage or square wave voltage for enhancing the output of the inverter. As a result, the fundamental component of the output voltage of the inverter increases up to 27% compared with operation in sinusoidal voltages, which means we can operate the motor 27% faster without enlarging the battery unit.
電気自動車に使われるモータの多くは交流モータです。交流モータを駆動するためには交流電圧が必要となります。しかし，電気自動車に搭載されているバッテリは直流電圧です。したがって，電気自動車を駆動するためには直流電圧を交流電圧に変換する「インバータ」が必要不可欠です。ここで，交流電圧波形には正弦波電圧・三角波電圧・矩形波電圧といったように，さまざまな形式があります。中でも，正弦波電圧は三角関数で容易に表現でき，制御性が優れているといった特徴があるため，モータを制御する際にはインバータでバッテリの直流電圧を正弦波電圧に変換するのが一般的です。これに対して，本研究ではインバータの過変調領域を利用することにより，直流電圧を正弦波電圧ではなく矩形波電圧に変換してモータを駆動する手法を利用します。出力電圧を矩形波とすることにより，正弦波の基本波成分をおよそ27%大きくすることができます。つまり，バッテリ電圧をそのままの状態でモータの出力を約27%向上させることが可能となります。
3. Harmonic suppression system for improving the control performance in the overmodulation region.
インバータ過変調領域での制御性能向上のための高調波対策法
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In fact, the operable area of the electrical motors can not be expanded appropriately without any countermeasures against the non-linear characteristic in the overmodulation region. In the overmodulation region, 6th order harmonics components superimpose on the feedback currents and these disturbance components deteriorate the stability and performance of motor drive system. In order to enhance the control ability in the overmodulation region of the inverter, we have studied about the harmonic suppression method which eliminates the harmonic components generated only in the overmodulation region.
インバータの過変調領域を利用することにより，出力電圧の基本波成分を向上させることが可能となりますが，単純に過変調アルゴリズムを適用してもその恩恵を満足に享受することはできません。過変調領域ではインバータの非線形性に起因して回転速度の6倍の周波数成分をもつ高調波外乱が重畳し，制御システムの安定性や制御性能の劣化を招きます。これらの問題に対処し，駆動システムの性能を限界まで引き出すために私たちは高調波外乱成分に対する感度を低下させるための高調波対策法について検討を行っています。
4. Filter-based harmonic suppression method without any motor parameter.
フィルタを用いたモータパラメータレスな高調波対策法
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Conventional studies have already achieved good control performance in the overmodulation region by suppressing harmonic components superimposed in the feedback current. However the conventional method utilize the accurate motor parameters for suppression of harmonic components, and they are hard to apply in the motor drive system of electrical cars. The traction motor of electric cars has extremely high power density and, the electrical parameters vary dramatically due to operating point. It is quite difficult to obtain electrical parameters of the motor in whole operation region, therefore we are studying about the filter-based harmonic suppression method which does not utilize any motor parameter.
過変調領域において問題となる高調波外乱成分への対策法については，先行研究で既に取り組まれています。しかしながら，先行研究ではモータの電気的パラメータを積極的に用いる構成となっており，電動車駆動システムで実装することが困難であるといった問題があります。電動車駆動用モータは非常に高い出力密度となるように設計されており，駆動条件に応じてモータパラメータが変動しやすく，モータの電気的パラメータを把握することが困難となるからです。そこで，私たちはモータの電気的パラメータが一切必要ないフィルタを用いた高調波対策法について検討を行っています。
5. Paper and conferences.
論文誌および学会発表論文
Paper / 論文
電気学会論文誌D（産業応用部門誌）
インバータ過変調領域でのPMSMベクトル制御を可能とする帯域除去フィルタの設計
Design of Band Elimination Filter for PMSM Vector Control Operable in Overmodulation Region of Inverter (in Japanese)
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejias/138/11/138_884/_article/-char/ja/
IEEJ Journal of Industry Applications
Position Sensorless Control System within Over-modulation Range Based on Mathematical Model Robust against Magnetic Saturation of IPMSMs
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjia/6/1/6_36/_article/-char/ja/
International Conferences / 国際会議
2018 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’18 ECCE-Europe)
Improvement in Control Performance of PMSMs by Deactivation of Antiwindup Control in the Overmodulation Range of an Inverter
2017 IEEE 12th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS)
Filter setting for improving the current control performance of IPMSMs in overmodulation region of inverter
2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS)
Filter setting for improving torque control performance of IPMSMs in overmodulation region of inverter
IECON 2016 – 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
Current control system using voltage phase reference filter in inverter overmodulation range for IPMSM
2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC)
Improvement in current control performance for IPMSMs in the inverter over-modulation range considering voltage saturation
2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’15 ECCE-Europe)
A robust position sensorless control method of IPMSMs to magnetic non-linearity within over-modulation range
Domestic Conferences (in Japanese) / 国内会議
【D】産業応用部門 モータドライブ研究会(in Japanese)
インバータ過変調領域まで動作可能な PMSM ベクトル制御系に適したアンチワインドアップ制御手法の検討
【全国大会】平成30年電気学会全国大会論文集(in Japanese)
PMSM過変調駆動時における制御性能改善のための電圧補償型高調波対策法
【D】平成29年電気学会産業応用部門大会講演論文集(in Japanese)
IPMSM過変調駆動時における駆動領域拡大のための電流フィルタ設計法
【D】産業応用部門 モータドライブ研究会(in Japanese)
埋込磁石同期電動機の過変調駆動時における高調波電流フィルタ適用による不安定化についての考察
【D】平成28年電気学会産業応用部門大会講演論文集(in Japanese)
電圧ベクトル指令値のフィルタリングによる過変調駆動時におけるIPMSMの電流制御性能改善
【D】平成27年電気学会産業応用部門大会講演論文集(in Japanese)
電圧位相指令値のフィルタリングによる永久磁石同期電動機の過変調駆動時における制御性能改善
【D】産業応用部門 モータドライブ研究会(in Japanese)
過変調駆動時における電圧飽和を考慮した低次高調波対策による埋込磁石同期電動機の電流制御性能改善
【D】産業応用部門 家電・民生研究会(in Japanese)
くし形フィルタを用いた永久磁石同期電動機の過変調駆動時における制御性能改善
【D】平成26年電気学会産業応用部門大会講演論文集(in Japanese)
埋込磁石同期電動機の磁気飽和にロバストな位置センサレス制御と過変調駆動による駆動可能領域拡大