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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3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。
昨年講演された内容が大幅にアップデートされました。

第1回   モータシステムを高速高精度に制御する方法 福井大学
     杉本 英彦 氏
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
     杉本 英彦 氏
第3回   実践デジタル制御技術
  国際規格対応設計手法
富士電機
     松本  康  氏
     高橋  弘  氏

          事情により開催は中止となりました。次回開催の日程は未定です。

受講料:
3回選択 99,500円(税込)  
2回選択 70,000円(税込)
1回選択 42,000円(税込)
会 場:
 中央大学駿河台記念館(東京 お茶の水)MAP,BIZ新宿 MAP
■ 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 ■
<理論>
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を求め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。
<設計手法と国際規格>
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:
2014年 9 月 13日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
福井大学 名誉教授
    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、とりわけモータ発生トルクに直接
関係する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。

@ 座標変換の必要性、定常偏差を0にする補償器の構造、
  三相(多相)モータを使う理由、座標変換
・座標変換の必要性
・定常偏差を0にする構造
・三相(多相)モータを使う理由
   電力
・座標変換
   絶対座標変換行列の例
A 表面永久磁石形同期モータ(SPMSM)
・構造及び等価回路
・電圧方程式
   三相での表現
   ab座標での表現
   dq座標での表現
   d軸の求め方
   状態方程式
   定常状態の電圧方程式
・電流制御アルゴリズム
   dq座標で表した表面永久磁石形同期モータのブロック線図
   電流制御アルゴリズムの結果として得られるブロック線図
   制御系の構成法
   フィードフォワード制御による非干渉化(対角化)
   フィードバック制御系
・相電流に含まれる直流電流の影響、相不平衡電流の影響
   相電流に含まれる直流電流の影響
   相不平衡電流の影響
・力率1制御
B 埋込永久磁石形同期モータ(IPMSM)
・構造及び等価回路
・電圧方程式
   三相での表現
   ab座標での表現
   dq座標での表現
   軸の求め方
   状態方程式
   定常状態の電圧方程式
・電流制御アルゴリズム
   dq座標で表した埋込永久磁石形同期モータのブロック線図
   電流制御アルゴリズムの結果として得られるブロック線図
   フィードフォワード制御による非干渉化(対角化)
   フィードバック制御系
   i daとi qaの関係
   回転速度とトルク
   (トルク/電機子電流)最大制御
   電機子電圧一定制御
   i da=0制御との関係
C 誘導モータ(IM)
・構造及び等価回路
・電圧方程式
   三相での表現
   ab座標での表現
   dq座標での表現
   γδ座標での表現
   定常状態の電圧方程式
・電流制御アルゴリズム二次鎖交磁束制御
   γδ座標で表した誘導モータのブロック線図
   電流制御アルゴリズムの結果として得られるブロック線図
   γ軸の求め方
     滑り周波数制御によって二次鎖交磁束φrをγ軸に一致させる制御
     (フィードフォワード制御)
   フィードフォワード制御による非干渉化
   フィードバック制御系

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、速度制御、位置制御
・一慣性系
   運動方程式
   速度制御
   位置制御
・二慣性共振系
   二慣性共振系の速度制御系の数式表現と構成
     二慣性共振系の状態方程式
     速度制御系の構成と速度補償器に対する要求
   既約分解表現と補償器
   速度補償器の設計法
     速度補償器の設計の観点
     目標値応答補償器の設計法
     安定化補償器の設計法(負荷外乱抑制)
     安定化補償器の設計(制御対象のパラメータ変動に対する安定化)
     強安定化
     設計例、シミュレーション結果及び実験結果
       供試機
       設計例とシミュレーション結果
       実験結果
   まとめ
A 設計法
・内部モデル原理に基づく定常偏差補償を有する直列補償器
・1自由度制御系、2自由度制御系
   1自由度制御系の伝達関数
   2自由度制御系の伝達関数
   1自由度制御系を2自由度制御系にすることによってできることと
   できないことについて
   1自由度制御系の設計法
   2自由度制御系の設計法
・ケスラー標準形と係数図法による設計
   基礎
   ケスラー標準形
     係数図
     安定性
     速応性
     ロバスト性
・デジタルコントロールの設計
   デジタル再設計

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。
基本原理
モデル規範適応システム(MRAS)に基づくパラメータ同定について
@ 表面永久磁石形同期モータの速度センサレス制御
A 埋込永久磁石形同期モータの速度センサレス制御
・数学モデルと線形化誤差状態方程式
   実機の状態方程式
   数学モデル
   線形化誤差伝達関数行列
   逆伝達関数行列
・推定システムの構成
   推定システムの構成
   安定性に関する検討
     数学モデルの安定化
     磁極位置の実際値と推定値との間の閉ループ伝達関数の安定性
     電機子巻線抵抗の実際値と推定値との間の閉ループ伝達関数の安定性
     まとめ
   永久磁石が発生し電機子巻線に鎖交する磁束の設定誤差の影響に関する検討
・実験結果
・まとめ
B モデル規範適応システムを適用した誘導モータの速度センサレス
  ベクトル制御
・ベクトル制御状態の誘導モータをモデルとするモデル規範適応システムを適用した
 回転子速度推定理論
   誘導モータの状態方程式とベクトル制御
   回転子速度同定法(その1:γ、δ擬似二次鎖交磁束φγr、φδrが検出できる場合)
   回転子速度同定法(その2:γ、δ擬似二次鎖交磁束φγr、φδrを用いる場合)
   モータ定数の影響
・システム構成及びシミュレーションと実験結果
   システム構成
   シミュレーションと実験結果
・まとめ

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
A ADコンバータ  
・逐次比較型ADコンバータ
   逐次比較型ADコンバータの電流検出タイミング
・ΔΣ型ADコンバータ
B 位置・速度検出  
・レゾルバ
・エンコーダ

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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:
2014年 9 月 27日(土)  10:00〜16:45(昼休み50分)
  講 師:
福井大学 名誉教授
    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流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
   三相電圧形方形波インバータ
     電圧波形
     電圧のフーリェ級数表現
     電圧の空間ベクトル表現
   三相電圧形パルス幅変調インバータ
     三角波比較方式
     瞬時電圧空間ベクトル指定方式(瞬時空間磁束鎖交数ベクトル軌跡法)
     高調波成分
     短絡防止時間中の挙動
       負荷電流が正の場合
       負荷電流が負の場合
     t ON = t OFFの場合の短絡防止時間Tdの影響
     短絡防止時間Tdの影響の除去
       電流制御系の応答をあげる方法
       パルス幅をフィードバック制御する方法
・3レベルインバータ(多レベルインバータ)
   3レベルインバータの構成例
     従来構成
     新構成
   パルス幅変調しないときの3レベルインバータの出力千巻電圧
     パルス幅変調するときの3レベルインバータの出力千巻電圧 (望ましい波形)
     三角波比較方式パルス幅変調方式@
     三角波比較方式パルス幅変調方式A
     電圧空間ベクトルと瞬時空間ベクトル指定方式
     (3レベルインバータのパルス幅変調方式)
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
・ダイオード整流器
・電圧形2レベルパルス幅変調コンバータ
   構成
   電圧形2レベルパルス幅変調コンバータのモデリングと制御アルゴリズム
     電圧形2レベルパルス幅変調コンバータの交流側で成立する電圧方程式
     (交流リアクトルは各相独立で結合していない場合)
     座標変換 電圧形2レベルパルス幅変調コンバータの電圧
     電圧形2レベルパルス幅変調コンバータの直流側で成立する電圧方程式
     状態方程式
     フィードフォワード制御によるdq軸間の非干渉化制御
     電流制御系
     コンバータの交流側と直流側の間を結びつけるものは電力
     Edはi dsで制御
     電圧形2レベルパルス幅変調コンバータの交流側で成立する電圧方程式
     (交流リアクトルが結合している場合)
      座標変換
     状態方程式
     dq軸間非干渉化と電流制御アルゴリズム
・三相電圧形パルス幅変調コンバータ設計上の注意事項
   dq座標で表したシステムブロック線図
   Vqs=0、dq軸間非干渉化とi qs = 0 (力率1)を含む電流制御後のブロック線図
・電圧形3レベルパルス幅変調コンバータ
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。

@ マトリクスコンバータ
A 双方向性チョッパ
B 回生電力消費用チョッパ
C PFC(力率制御)

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第3回
第1部 実践デジタル制御技術
第2部 国際規格対応設計手法
2014年 10 月18日(土)  10:00〜16:50(昼休み50分)

第1部 : 実践デジタル制御技術
講 師: 富士電機 技術開発本部 製品技術研究所 パワエレ技術開発センター
  電機制御技術開発部  部長  松本 康 氏
時 間: 10:00〜13:40(昼休憩50分)

制御理論を実現するのに不可欠な制御ハードウェアの構成とモータ制御理論のプログラミング
事例を詳解し、さらに、SiC、GaNなどをモータ駆動に適用する際にポイント(注意点)について、
高キャリア周波数化するための制御に関する側面と、ノイズ規格対応(制御というよりも電気回路)
の側面を解説します。
1. モータ制御理論を実現する制御装置
1.1 モータ駆動装置の制御装置構成
1.2 モータ駆動装置でのプロセッサ選定方法
2. モータ制御理論のプログラミング事例
2.1 モータ制御プログラミングの基礎
   (連続系表現のプログラミング手法)
2.2 ベクトル制御部
2.3 電流・電圧センサインタフェイス部
2.4 インバータインタフェイス部
3. SiC・GaN適用のポイント
3.1 高キャリア周波数対応のポイント
3.2 ノイズ規格への対応のポイント

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第2部 : 実践デジタル制御技術
講 師: 富士電機 技術開発本部  製品技術研究所 パワエレ技術開発センター
  共通技術開発部  主席 高橋  弘氏
時 間: 13:50〜16:50

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。
本年度は、日本の政策として経産省より、国際規格対応の官民戦略アクションプランが出され重要性が叫ばれています。パワエレでは特にシステム化 が増えており、産業用ネットワーク、安全ネットワークへの対応、機能安全への 対応、EMC・EMF対応などが、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、日本における動き、世界の動き)

2. 産業用ネットワーク&安全ネットワークの動向(IEC61784-2、IEC61784-3)

3. 機能安全規格IEC61508、IEC61800-5-2解説(実例:ドライブ)

4. EMC、EMF、EMC機能安全規格解説

5. スマートコミュニティ関連の規格


■ 講師 紹介 ■
杉本 英彦 氏
福井大学 名誉教授 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
松本 康 氏
富士電機 技術開発本部 製品技術研究所  パワエレ技術開発センター 電機制御技術開発部 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)
高橋 弘 氏
富士電機 技術開発本部 製品技術研究所 パワエレ技術開発センター 共通技術開発部 主席
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)

 

 
     
モータシステムの高性能制御・応用展開への手引き