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  モータシステムの高性能制御・応用展開への手引き  全4回  
 
 
 
 
クルマや工作機械などにおいてモータを高効率に制御、駆動する技術が益々重要となってきています。
本講座はパワエレ関係者の中でも名著(絶版本)と言われるACサーボシステムの理論と設計の実際の執筆者で
業界の第一人者と認められる杉本英彦氏より技術展望を交えた生の講義を聞ける、大変貴重なセミナーです。

 
第1回 6/22(土)   モータシステムを高速高精度に制御する方法 福井大学大学院
     杉本 英彦 氏
第2回 7/ 6(土)  電力変換制御装置編〜
  モータシステムを高速高精度制御するインバータ技術
  商用交流電源電流・直流電圧を制御するコンバータ技術
  蓄電池に接続されるチョッパ技術
 
福井大学大学院
     杉本 英彦 氏
第3回 7/20(土)   実践デジタル制御技術 富士電気株式会社
     松本  康  氏
第4回 8/ 3(土)   国際規格対応設計手法  富士電気株式会社
     高橋  弘  氏
プログラムが変更になる場合がありますので、ご了承願います。
 
受講料:
4回選択 116,000円(税込)
3回選択 95,000円(税込)
2回選択 68,000円(税込)
1回選択 37,500円(税込)
会 場:
 中央大学駿河台記念館(東京 お茶の水)MAP
特 典:
本講座にお申し込みいただくと
日経エレクトロニクス誌を最新号1冊+1年間(26冊)プレゼントします。
ご送本開始はセミナー開催後になります
 
 
 
■ 本講座の開催主旨 ■
モータシステムは、モータ、センサ、負荷、電力変換制御装置、通信、診断というような要素を選択結合して構成されています。機能、性能、経済性等、モータシステムに対する要求は様々で、総合的に最良となるように選択結合する必要があり、各要素と結合方法は、ハードウェア、ソフトウェアとも現在も進歩発展し続けています。
本講座は、主にサーボや工作機器、クルマなどに要求されるモータシステムの高性能制御について、その各要素とそれを選択結合して最良に構成されるシステムを基礎から理解し、設計を進められるエッセンスを習得し使いこなす力を身に付けることを目的としています。原理原則的なことから最近の動向まで詳解します。
   
 
■ 講義の流れ ■
<前半>
例えば、交流モータを制御するのに必要な式、等価回路を扱える力を養います。即ち、モータに則した微分方程式から始めて、高性能制御を目的として座標変換を行い状態方程式を自ら立てる方法、その状態方程式から定常方程式及び等価回路を求め、さらに、それらの式、等価回路に現れる定数や変数を測定する方法を詳解します。
このように実際的な観点から、各要素及びシステムを作りうる能力、使える能力、将来の進歩発展と用途拡大に対応できる能力、そしてMatlabなどのシミュレーションツールを本質的に使いこなせる能力を身に付けるための設計ノウハウの基盤を詳解します。
<後半>
前半の原理原則を踏まえ、現代の高性能制御に必要なデジタル制御の実際設計技術と手法、コアデバイスとなるFPGAやDSP、マイコンなどの選択基準、ハードウェア/ソフトウェアの構成手法や使いこなしについて、グローバル展開に必須となってきたパーワエレクトロニクスシステムのハードウェア及びソフトウェアの国際規格対応及び認証、設計への展開手法、設計の勘所を押さえながら学んでいきます。
   
 
■ 受講対象
・入社3年〜10年で、クルマ、工作機器、サーボなどのシステム開発に携わっているエンジニア
・次世代のエキスパートを目指している方
・技術管理職の方

   
 
■ カリキュラム ■
第1回 モータシステムを高速高精度に制御する方法

  日 時:
2013年 6 月 22日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
福井大学大学院 特命教授
    工学博士 杉本 英彦 氏

モータシステムに要求される特性、性能は高速高精度だけではない。ポンプ、ブロワのように高効率が優先される用途もある。モータ効率はモータ出力/モータ入力であり、モータ出力はモータ回転角速度×モータトルク、モータ入力はモータ電圧×モータ電流×力率であり、さらに、モータトルクはモータ電流と密接な関係があり、モータ電流はモータ電圧と密接な関係があるから、モータ電圧でモータ電流を高速高精度に制御する方法を知っておけば高効率制御は応用問題として解くことができる。
従って、モータシステムを高速高精度に制御する方法、とりわけモータ電流を高速高精度に制御する方法は重要である。次いで負荷を含めた速度制御及び位置制御について述べる。電流制御、速度制御、位置制御に必要なセンサについても述べる。

1.1 モータと電流制御アルゴリズム
モータは発生トルクによって負荷の回転速度を制御する。トルクは電流で制御される。現在主に使用されている表面永久磁石形同期モータ(SPMSM)、埋込永久磁石形同期モータ(IPMSM)、誘導モータ(IM)を取り上げ、それらを三相電圧電流方程式で表されるモデリングから始めて電流制御アルゴリズムの導出までを述べる。

@ 表面永久磁石形同期モータ(SPMSM)
・モデリング
  電圧電流方程式
微分方程式
座標変換基礎
三相−α、β−d、q座標変換
状態方程式
定常方程式
  等価回路
定数同定
・電流制御アルゴリズム
  フィードフォワード制御による非干渉制御化(対角化)
  フィードバック制御
d軸電流制御
q軸電流制御
モータトルク制御
  ・電流に含まれる直流分の影響、相不平衡電流の影響

A 埋込永久磁石形同期モータ (IPMSM)
・モデリング
  電圧電流方程式
微分方程式
座標変換基礎
三相−α、β−d、q座標変換
状態方程式
定常方程式
  等価回路
定数同定
・電流制御アルゴリズム
  フィードフォワード制御による非干渉制御化(対角化)
  フィードバック制御
d軸電流制御
q軸電流制御
モータトルク制御
モータ出力制御

B 誘導モータ(IM)
・モデリング
  電圧電流方程式
微分方程式
三相−α、β−d、q座標変換
状態方程式
定常方程式
  等価回路
定数同定
・電流制御アルゴリズム
  フィードフォワード制御による非干渉制御化(対角化)
  フィードバック制御
γ軸電流制御
δ軸電流制御
モータトルク制御
モータ出力制御

1.2 速度制御、位置制御(負荷を含む)
モータと負荷は運動方程式で関係付けられる。機械系として代表的な一慣性系及び二慣性系を取り上げ、その運動方程式から始めて速度及び位置の制御系の導出までを述べる。

@ 運動方程式  
・一慣性系/二慣性系
A 状態方程式
・一慣性系/二慣性系
B 伝達関数
・一慣性系/二慣性系
C 設計法  
・内部モデル原理に基づく定常偏差補償機能を有する直列補償器
・係数図法による設計
・2自由度制御系
・デジタル再設計
  双一次変換
安定性の保持
最小位相の保持
周波数歪み
・推定負荷トルクのフィードフォワード制御

1.3 速度センサレス制御
速度の高速高精度制御という点では劣るが、経済性と信頼性を上げるために用途によっては速度センサを用いないでモータを速度制御するいわゆるセンサレス制御が採用される。各モータの速度センサレス制御について述べる。

@ 表面永久磁石形同期モータ(SPMSM)
A 埋込永久磁石形同期モータ(IPMSM)
B 誘導モータ(IM)

1.4 センサ、ADコンバータ
モータの高速高精度制御において、電流センサ、速度・位置センサは不可欠である。各センサについて、代表的なものを取り上げて説明する。また、デジタル制御するために各センサ出力をAD変換するので、ADコンバータについても説明する。

@ 電流検出
・電流センサ
  ホール素子電流センサ
磁気比例方式
磁気平衡方式
  フラックスゲート形電流センサ
  シャント抵抗
・ADコンバータ
  逐次比較型ADコンバータ
  ΔΣ型ADコンバータ
・電流検出タイミング

A 速度・位置検出  
・速度・位置検出器
  レゾルバ
  エンコーダ
内挿
・速度検出法
・位置検出法

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第2回 電力変換制御装置編〜
モータシステムを高速高精度制御するインバータ技術
商用交流電源電流・直流電圧制御するコンバータ技術
蓄電池に接続されるチョッパ技術

  日 時:
2013年 7 月 6日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
福井大学大学院 特命教授
    工学博士 杉本 英彦 氏


電力変換装置にはいろいろなものがあるが、主なものはインバータとコンバータである。
インバータの機能を単純化してみれば出力電圧を制御することである。出力電圧を制御することでモータ電流が制御され、モータ電流を制御することでトルクが制御されて速度が制御され、速度を制御することで位置が制御される。そこで、インバータを出力電圧を制御する観点からみてみる。その第一の観点は、電圧を如何に正確に速く、高効率に制御できるかである。第二の観点は、出力電圧をできるだけ高い電圧まで出せるようにすることである。
次いでコンバータについてみてみる。コンバータは交流電源に接続され、インバータの直流電圧を制御するものである。コンバータをその電源側電圧を制御する観点から見てみる。コンバータの制御の第一の観点は、電源に流れる高調波電流を抑制することである。第二の観点は電源電流の力率を1にすることである。第三の観点はコンバータの直流電圧を安定な範囲で高速に制御することである。 直流電圧は直流電力で制御できるが、電力は電圧と電流の積で表されるからこの制御系は非線形制御系である。非線形制御系はテーラー展開して1次近似して動作点近傍で線形化して扱う。その設計技術手法についても述べる。マトリクスコンバータやPFC等についても触れる。

2.1 インバータとその制御技術
モータを直接制御する電力変換制御装置はインバータである。インバータにはいくつかの種類がある。その構成、特徴及び制御技術について述べる。

@ 三相電圧形インバータ
・2レベルインバータ
  方形波インバータ
  パルス幅制御インバータ
高調波成分
・3レベルインバータ(多レベルインバータ)
A 三相電流形インバータ
B パルス幅制御
・現状のパルス幅制御法が確立まで
  瞬時電流比較法
  等幅パルス幅制御法
  台形波三角波比較法
・正弦波三角波比較法
  直流電圧の有効利用
・瞬時空間ベクトル変調法
C 短絡防止時間
D 短絡防止時間の影響の抑制法
E 直流電圧の脈動がインバータ出力電圧に現れなくする方法
F 損失
・導通損失
・スイッチング損失
  リカバリー電流
・GaN、SiC
  スイッチング損失大幅減
G 平滑コンデンサに流れる電流

2.2 コンバータとその制御技術
インバータに直流を供給するのがコンバータである。直流電圧を制御するだけでなく、商用交流電源に流れる交流電流の高調波を抑制し、力率を1になるように制御する。コンバータの構成、特徴及び制御技術について述べる。

@ 三相電圧形コンバータ
・2レベルコンバータ
  パルス幅制御インバータ
  高調波成分
  ・3レベルコンバータ(多レベルコンバータ)
A 三相電流形コンバータ
B 三相電圧形パルス幅変調コンバータ
・モデリング
  電圧電流方程式
非線形微分方程式
三相−α、β−d、q座標変換
非線形状態方程式
  線形化状態方程式(テーラー展開の1次近似)
・制御アルゴリズム
  パルス幅変調周波数とLCフィルタの選定
  フィードフォワード制御による非干渉制御化(対角化)
  フィードバック制御
d軸電流制御
q軸電流制御
直流電圧制御
  ・電源に流れる高調波電流

2.3 そのほかの電力変換制御装置とその技術
モータシステムに使用される電力変換制御装置には、ハイブリッド自動車や電気自動車で用いられている蓄電池からインバータに直流を供給するチョッパやモータの回生電力を抵抗に消費させるチョッパ、交流電源からインバータに直接交流電圧を供給するマトリクスコンバータ、電力の流れが交流電源から直流への一方向であることがコンバータと違うが、それ以外は同じPFCがある。 それらの構成、特徴及び制御技術について述べる。

@ 昇圧チョッパ
A 双方向チョッパ
B マトリクスコンバータ
C PFC

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第3回 実践デジタル制御技術


  日 時:
2013年 7 月20日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
富士電機株式会社 技術開発本部
   パワエレ技術研究センター 応用技術開発部
    部長 松本  康氏

パワーエレクトロニクス機器を制御するためにプロセッサ(CPU、DSP)が用いられています。これらを動作させるにはソフトウェアが必要です。また高速な制御においては、FPGAがCPUやDSPの代わりに用いられることもあります。 このCPUやDSPについての最新動向や選定基準、ソフトウェアの方法論、FPGAで用いるハードウェア記述言語に関する基本的な考え方について述べます。
そして、実際のモータ駆動装置での適用事例についての紹介も行います。

1. ハードウェア
1.1 パワエレで使われるプロセッサ(CPU、DSP)の種類
1.2 モータ駆動におけるプロセッサ選定基準例
1.3 その他のモータ駆動制御回路構成例(FPGA ほか)

2. ソフトウェア作成の基礎
2.1 ソフトウェア開発方法論
2.2 記述言語とコーディングルール

3. モータ駆動装置への適用
3.1 ベクトル制御のプログラミング事例
    - 制御ブロック図をC言語に -
3.2 電流・電圧検出と電圧指令出力のプログラミング事例


★今回は本講座の第1回、第2回をベースに、
 『モータ駆動装置への適用』に重点を置いて講演いただきます。

▲このページの上へ
第4回 国際規格対応設計手法

  日 時:
2013年 8 月 3日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
富士電機株式会社 技術開発本部 
  パワエレ技術研究センター 共通技術開発部
    マネージャ  高橋  弘 氏


近年のパワーエレクトロニクス機器への新たな課題として、国際規格対応が挙げられます。中でもシステム化のための産業用ネットワークへの対応、機能安全への対応、EMC・EMF対応などは、モータ駆動装置などのパワーエレクトロニクス製品のグローバルビジネス対応ではとても重要になってきています。
これらの国際規格対応に関して、ハードウェア、ソフトウェア双方の設計の考え方や認証取得のポイントについて、全般的な内容とパワーエレクトロニクス固有の内容を説明します。

1. 国際規格の重要性(WTO/TBT協定)

2. 産業用ネットワークの動向(IEC61784-2)

3. 機能安全規格IEC61507、IEC61800-5-2解説(実例:ドライブ)

4. 電気安全規格解説 IEC62477

5. EMC、EMF、EMC機能安全規格解説


     ★今回は実際的な設計展開へ向けた講義中心に予定しております。
      また現在演習も取り入れる予定にしております。

*詳細は近日お知らせいたします*


 
■ 講師 紹介 ■
杉本 英彦 氏
福井大学大学院特命教授 工学博士
昭和34年三菱電機入社。
48年名古屋工業大学 大学院工学研究科 修士課程を修了し、同社名古屋製作所開発部電子制御グループに復職、55年同社産業システム研究所制御システム開発部第4(パワーエレクトロニクス)グループに転勤、60年大阪府立大学工学博士を取得。平成2年退職後、福井大学工学部電子工学科助教授から2年後に教授に昇任。
2009年には福井大学名誉教授(特命教授)となり現在に至る。
研究面では,パワーエレクトロニクス,電動機制御、電源制御,電気機器,高温超電導モータなどに関する研究を一貫して
推進し、工学的・工業的にも優れた業績を上げている。著書の「ACサーボシステムの理論と設計の実際」は改定を重ね隠れたヒット作となっている。

著書・論文一覧、学会、社会活動、賞
講演: 第1回第2回
松本 康 氏
富士電機株式会社 技術開発本部 パワエレ技術研究センター 応用技術開発部 部長
88年東京工業大学 電気電子工学科卒業、修士課程修了後、90年に富士電機(株)入社。
02年に横浜国立大学大学院 博士(工学)を取得。06年7月 富士電機アドバンストテクノロジー(株)エレクトロニクス技術研究所 パワーコンポーネントGr マネージャ、08年に同社 エレクトロニクス技術センター パワエレ機器開発部部長を経て、
11年4月より現職に至る。
この間、モータ制御、変換回路制御、EMCの研究開発および鉄鋼プラント向けセンサレスベクトルインバータ、新幹線向け駆動装置の製品化に従事。現在は、サーバ電源など小容量変換装置から、UPSや無効電力保障装置など大容量変換装置なども含めパワーエレクトロニクス全般の開発に関するマネージメントに従事。
 
社外委員(主たるもの)
講演: 第3回
高橋 弘 氏
富士電機株式会社 技術開発本部 パワエレ技術研究センター 共通技術開発部 マネージャ
88年に武蔵工業大学(現 東京都市大学)電気工学科卒業後、富士電機(株)に入社。08年富士電機アドバンストテクノロジー(株)エレクトロニクス技術センター システム機器開発部 ソフトデザイン技術グループ マネージャとなり、IEC APC議長賞を受賞。翌年、富士電機ホールディングス(株) 技術開発本部 先端技術研究所 基礎技術研究センター エレクトロニクス技術研究部 標準規格グループ マネージャとなり現職に至る。
汎用インバータおよびサーボモータ制御、産業用ネットワーク技術開発、海外鉄道向け車両用ドアコントローラ製品化、機能安全対応ドライブ技術開発、国際規格適用技術開発、高信頼組み込みソフトウェア開発に従事に従事。

社外委員(主たるもの)
講演: 第4回

 
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モータシステムの高性能制御・応用展開への手引き