ベクトル制御 (磁界方向制御)

シミュレーションを使用したベクトル制御アルゴリズムの開発

ベクトル制御 (磁界方向制御) を利用することで、誘導モーター、永久磁石同期モーター (PMSM)、およびブラシレス DC (BLDC) モーターなどの様々な種類のモーターに対して、最大トルク/電流制御 (MPTA制御) または弱め磁束制御を適用することができます。

以下のブロック線図は、次のコンポーネントを含むベクトル制御の構造を表しています。

  • 2 つのPIコントローラーで構成されたインナーループの電流コントローラー
  • オプションのアウターループの速度コントローラーと電流指令ジェネレーター
  • 静止座標系と回転座標系を変換するためのClarke変換 (クラーク変換)、Park 変換 (パーク変換)、逆 Park 変換 (逆パーク変換)
  • 電圧指令 vα_ref および vβ_ref をインバーターの6つの半導体デバイスに供給するパルス幅変調信号に変換するための空間ベクトル変調アルゴリズム
  • スタートアップおよびシャットダウン ロジックなどの保護および補助機能
  • センサーレス制御が必要な場合に、回転子の角度を推定するオプションのオブザーバー

ベクトル制御のブロック線図。

ベクトル制御を設計するモーター制御のエンジニアは、次のタスクを実施します。

  • インナーループの電流制御のための2 つの PI コントローラーをもつ制御構造を開発
  • オプションのアウターループの速度および位置制御のための PI コントローラーをもつ制御構造を開発
  • 性能要件を満たすためすべての PI コントローラーのゲインを調整
  • PWM 制御のための空間ベクトル変調器の設計
  • センサーレス制御が使用されている場合、回転子の位置と速度を推定するオブザーバーのアルゴリズムを設計
  • 最適な電流指令 id_ref と iq_ref を生成するための最大トルク/電流制御 (MPTA制御) または弱め磁束制御アルゴリズムを設計
  • 効率的に演算を行う Park変換 (パーク変換)、Clarke 変換 (クラーク変換)、および逆 Park 変換 (逆パーク変換)の実装
  • 故障検出および保護ロジックの設計
  • 様々な動作条件でコントローラーの性能を確認して検証
  • 固定または浮動小数点のコントローラーをマイクロコントローラーまたは FPGA に実装

Simulink® を使用したベクトル制御の設計により、マルチレートの シミュレーションを使用して制御アルゴリズムを設計、調整、および検証し、ハードウェアでのテスト前にモーターのすべての動作範囲でエラーを検出して修正することができます。Simulink のシミュレーションを使用して、プロトタイプによるテストの量を減らして、ハードウェアではテストできない異常や故障状態で制御アルゴリズムのロバスト性を検証することができます。以下のタスクを実施することができます。

  • 三相の同期マシンおよび非同期マシンなどの、様々なタイプのモーターをモデル化。簡単な第一原理の集中定数モデルから、ANSYS® Maxwell® や JMAG® などの FEA ツールからインポートされた詳細度の高い磁束に基づく非線形モデルまで、様々なレベルの詳細度でモデルを作成して切り替えることができます。
  • 電流コントローラー、速度コントローラー、および変調器のモデル化。
  • インバーター などのパワー エレクトロニクス回路のモデル化。
  • ボード線図や根軌跡などの古典的な線形制御設計手法、および PID ゲインの自動チューニングなどの手法を使用して、制御システムのゲインを調整。
  • スタートアップ、シャットダウン、およびエラーのモードをモデル化し、安全なモーター運転を確保するためにディレーティングおよび保護ロジックを設計。
  • 回転子の位置と速度を推定するオブザーバーのアルゴリズムを設計。
  • 電流指令id_ref と iq_ref を最適化して、電力損失を最小化、定格回転子速度以上での動作、および不確定なパラメーター条件での動作を補正。
  • I/O チャンネルのための信号調整と処理アルゴリズムの設計。
  • 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施して、正常および異常の動作シナリオでシステム性能をテスト。
  • 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、および実機環境への実装のために、ANSI、ISO、またはプロセッサ最適化された C コードおよび HDL の自動生成。

Simulink による磁界方向制御

ソフトウェア リファレンス

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