フィールド指向制御とは何か

フィールド指向制御とは何か？

フィールド指向制御の定義

フィールド指向制御は、トルクと磁束を独立して制御することでAC誘導電動機を管理する高度な技術であり、直流モーターに似ています。

フィールド指向制御の動作原理

フィールド指向制御は、ベクトルで表されるスタータ電流を制御することにより構成されています。この制御は、時間と速度に依存する3相システムを2座標（d軸とq軸）の時間不変システムに変換する投影に基づいています。

これらの変換と投影により、直流マシン制御に類似した構造が得られます。FOCマシンには、トルク成分（q軸に一致）と磁束成分（d軸に一致）の2つの定数が必要です。

ACモーターの3相電圧、電流、磁束は複素空間ベクトルとして解析することができます。スタータ位相の瞬間的な電流をia、ib、icとすると、スタータ電流ベクトルは以下の通り定義されます：

ここで、(a, b, c)は3相システムの軸です。この電流空間ベクトルは3相正弦波システムを表します。これを2次元の時間不変座標系に変換する必要があります。この変換は以下の2つのステップに分けられます：

(a, b, c) → (α, β)（クラーク変換）、これは2座標の時間変動システムの出力を与えます。

(a, β) → (d, q)（パーク変換）、これは2座標の時間不変システムの出力を与えます。

(a, b, c) → (α, β) 投影（クラーク変換）a, b, c軸に沿って時間とともに変化する3相量（電圧または電流）は、以下の変換行列を使用して数学的にα, β軸に沿って時間とともに変化する2相量（電圧または電流）に変換することができます：

a軸とα軸が同じ方向であると仮定し、βがそれらに対して直交している場合、以下のベクトル図が得られます：

上記の投影により、3相システムは以下のように(α, β)2次元直交システムに変換されます：

しかし、これらの2相(α, β)電流はまだ時間と速度に依存しています。(α, β) → (d, q) 投影（パーク変換）これはFOCで最も重要な変換です。実際、この投影により、2相固定直交システム(α, β)がd, q回転参照システムに変換されます。変換行列は以下の通りです：

ここで、θは回転座標系と固定座標系の間の角度です。

d軸がロータ磁束と一致すると仮定すると、図2は2つの参照座標系における電流ベクトルの関係を示しています：

ここで、θはロータ磁束位置です。電流ベクトルのトルク成分と磁束成分は以下の式で決定されます：

これらの成分は電流ベクトル(α, β)成分とロータ磁束位置に依存します。正確なロータ磁束位置を知っている場合、上記の式によりd, q成分を容易に計算できます。この時点で、磁束成分(isd)とトルク成分(isq)が独立しているため、トルクを直接制御できます。

フィールド指向制御の基本モジュール

スタータ位相電流を測定します。これらの測定された電流はクラーク変換ブロックに入力されます。この投影の出力はisαおよびisβと呼ばれます。これらの電流の2つの成分はパーク変換ブロックに入力され、d, q参照座標系での電流を提供します。

isdおよびisq成分は、isdref（磁束基準値）およびisqref（トルク基準値）と比較されます。この時点では、制御構造には利点があります：単に磁束基準値を変更し、ロータ磁束位置を追跡することで、同期または誘導マシンのどちらも制御することができます。PMSMの場合、ロータ磁束はマグネットによって固定されているため、作成する必要はありません。

したがって、PMSMを制御する際にはisdrefはゼロにする必要があります。誘導モーターは動作するためにロータ磁束の生成が必要であるため、磁束基準値はゼロであってはなりません。これにより、「古典的」制御構造の主要な欠点の1つである非同期から同期駆動への移植性が解消されます。

PI制御器の出力はVsdrefおよびVsqrefです。これらは逆パーク変換ブロックに適用されます。この投影の出力VsαrefおよびVsβrefは、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）アルゴリズムブロックに供給されます。このブロックの出力はインバータを駆動する信号を提供します。ここではパーク変換と逆パーク変換の両方がロータ磁束位置を必要とします。そのためロータ磁束位置はFOCの本質です。

ロータ磁束位置の評価は、同期または誘導モーターを考える場合によって異なります。同期モーターの場合、ロータ速度はロータ磁束速度と同じです。したがってロータ磁束位置は位置センサーまたはロータ速度の積分によって直接決定されます。

誘導モーターの場合、ロータ速度は滑りのためにロータ磁束速度と等しくありません。したがって、特定の方法が使用されてロータ磁束位置（θ）を評価します。この方法は、d, q回転参照座標系の誘導モーターモデルの2つの式を必要とする電流モデルを利用します。

簡略化された間接FOCブロック図

フィールド指向制御の分類

誘導モータードライブのFOCは主に2種類に分類できます：間接FOCと直接FOCスキームです。DFOC戦略では、ロータ磁束ベクトルはエアギャップに取り付けられた磁束センサまたは電気機械パラメータから始まる電圧方程式を使用して測定されます。

一方、IFOCではロータ磁束ベクトルはFOC方程式（電流モデル）を使用して推定され、ロータ速度測定が必要です。両スキームの中でもIFOCの方が一般的に使用されます。クローズドループモードでは、ゼロ速度から高速弱磁界まで全速度範囲で簡単に動作できるからです。

フィールド指向制御の利点

• トルク応答の改善。

• 低周波数・低速時のトルク制御。

• ダイナミックな速度精度。

• モーターサイズの縮小、コスト削減、消費電力の減少。

• 4象限動作。

• 短期過負荷能力。