誘導モーターの速度制御

誘導モーターの速度制御は、誘導モーターの電流を操作して速度を調整するプロセスです。多くの場合、誘導モーターは固定周波数の用途に使用されますが、産業用駆動装置や電気自動車などの可変周波数の用途にも利用されています。可変周波数での動作では、インバーターが固定子巻線への電流を変調します。

誘導モーターは、固定子と回転子の磁場が結合することで動作します。固定子の電流は回転する磁場を生成し、回転子に電流と遅れ磁場を誘導します。磁場の相互作用により、回転子は固定子の磁場の回転速度よりも遅い角速度で回転します。「滑り」と呼ばれるこの回転遅れは、モーターシャフトにトルクをかけます。モーターの負荷が増加すると、滑りとモーターのトルク出力が増加します。

 かご形誘導モーターの場合には、ベクトル制御 (FOC) を使用した速度制御は、磁束が I_d に比例し、トルクが I_q に比例するように、I_d と I_q を調整します。こうした制御手法により、速度範囲が拡大し、動的状態および定常状態での性能の両方が向上します。Simulink^® を使用すると、マルチレートシミュレーションを利用して、ハードウェアテストの前に、モーターの全動作範囲にわたって FOC アルゴリズムを設計、調整、検証できます。

以下の Simulink によるブロック線図は、三相かご形誘導モーターの速度制御に用いる一般的な FOC アルゴリズムを示しています。

誘導モーター制御戦略の主な構成要素は次のとおりです。

• 内側のループ（比例 - 積分、PI）
  • Q 軸電流制御: Q 軸電流を調整して、モーターにかかる電気トルクを制御する
  • D 軸電流制御: 弱め界磁制御の場合は、電流を調整して d 軸磁束を減じ、トルクの低下によりモーターがベースライン速度を超えて回転できるようにする
• 外側のループ (PI): 誘導モーターの速度制御ループ。このループは、内側のループ (電流制御) と比較してサンプルレートが遅く、トルク設定値を生成します。設定値が処理され、内側のループの d 軸と q 軸に対する電流指令値を作成します。
• Clarke 変換、Park 変換、逆 Park 変換: 静止座標系と同期回転座標系を相互に変換する
• 滑り速度の推定: 誘導モーターは非同期であることから、固定子と回転子の周波数間の滑りを推定して、同期速度と回転子の位置を計算する
• 空間ベクトル変調 (SVM): 変調パルスを生成して、インバーターのパワー エレクトロニクス スイッチを制御する
• 速度センサー: 誘導モーターの速度は、直交エンコーダーやその他のセンサーを使用して測定できます。誘導モーターのセンサーレス制御では、オブザーバーベースのアルゴリズムが物理センサーに取って代わり、リアルタイムでモーター速度を推定します。

Simscape Electrical™ と Motor Control Blockset™ には、誘導モーターの速度制御のシミュレーションモデル開発に関する誘導モーターおよびベクトル制御の例が用意されています。Simulink による誘導モーター速度制御のシミュレーションは、プロトタイプのテストを削減し、ハードウェアでのテストが現実的ではない故障状態に対する制御アルゴリズムのロバスト性を検証するのに役立ちます。

Simscape Electrical と Motor Control Blockset を使用すると、モーター制御エンジニアは次の方法で誘導モーターの速度制御を開発できます。

• 誘導モーター、インバーター、速度および電流コントローラーのモデル化
• 制御設計手法を使用した誘導モーターの速度制御ループゲインの自動調整
• 回転子の位置と速度を推定するオブザーバー アルゴリズムの設計
• 起動、シャットダウン、エラーモードのシミュレーション、安全な動作を確保するディレーティングと保護ロジックの設計
• モーターとコントローラーの閉ループシミュレーションを実行し、正常/異常な動作シナリオ下でのシステムパフォーマンスをテスト
• ラピッド プロトタイピング、ハードウェアインザループ テスト、製品実装向けに、モデルから ANSI、ISO、またはプロセッサに最適化された C コードと HDL を生成