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家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法
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設計技術シリーズ

家電用モーターのベクトル制御と高効率運転法

著者： 前川佐理氏（（株）東芝）
監修： 長谷川幸久氏（（株）東芝）
定価： 3,740円（本体3,400円＋税）
判型： A5
ページ数： 269 ページ
ISBN： 978-4-904774-16-8
発売日： 2014/7/26
管理No： 18
正誤表
2023/5/23更新
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【著者紹介】

前川佐理（まえかわ　さり）
2003年法政大学大学院工学研究科修士課程修了。同年、（株）東芝入社。現在、電力・社会システム技術開発センターに所属、主務。パワーエレクトロニクスの研究に従事。平成21年度、電気関係事業従業員功績者表彰考案表彰、最優秀賞。電気学会会員。
長谷川幸久（はせがわ　ゆきひさ）
1988年岐阜大学大学院工学研究科修士課程修了。同年、 （株） 東芝入社。現在、生産技術センター制御技術研究センター研究主幹。モーター関連技術開発に従事。2000年ロボット学会論文賞。日本能率協会　モーター技術展　企画委員。

【目次】

第1章　家電機器とモーター

第2章　モーターとインバータ

  1. 1．永久磁石同期モーターの特徴
    1. 1-1　埋込磁石型と表面磁石型
    2. 1-2　分布巻方式と集中巻方式
    3. 1-3　極数による違い
  2. 2．永久磁石同期モーターのトルク発生メカニズム
    1. 2-1　マグネットトルクの発生原理
    2. 2-2　リラクタンストルクの発生原理
  3. 3．家電用インバータの構成
    1. 3-1　整流回路
    2. 3-2　スイッチング回路
    3. 3-3　ゲートドライブ回路
      1. 3-3-1　ドライブ回路の構成
      2. 3-3-2　ハイサイドスイッチ駆動電源
      3. 3-3-3　スイッチング時間
      4. 3-3-4　スイッチング素子の損失
      5. 3-3-5　スイッチング素子のミラー容量による誤オン（誤点弧）
      6. 3-3-6　ミラー容量による誤オン対策
    4. 3-4　電流検出回路
    5. 3-5　位置センサー
    6. 3-6　MCU（演算器）
  4. 4．モーター制御用MCU

第3章　高効率運転のための電流ベクトル制御

  1. 1．ベクトル制御の概要
    1. 1-1　3相座標→αβ軸変換（clark変換）
    2. 1-2　絶対変換時の3相→2相変換のエネルギーの等価性について
    3. 1-3　αβ軸→dq軸変換（park変換）
    4. 1-4　3相座標系とαβ軸、dq軸の電気・磁気的関係
    5. 1-5　3相→dq軸の変換例
    6. 1-6　dq軸座標系のトルク・電力式
  2. 2．最大トルク／電流制御
    1. 2-1　同一トルクを出力する電流パターン
  3. 3．弱め界磁制御・最大トルク／電圧制御
    1. 3-1　モーター回転数と直流リンク電圧による電流通電範囲の制限
    2. 3-2　最大トルク／電圧制御
      1. 3-2-1　最大出力型弱め界磁制御（電流リミット有り）
      2. 3-2-2　トルク指令型弱め界磁制御（電流リミット有り）
      3. 3-2-3　速度制御型弱め界磁制御（電流リミット有り）
    3. 3-3　弱め界磁制御の構成
  4. 4．電流制御の構成
    1. 4-1　dq軸の非干渉制御
    2. 4-2　電流制御 PIゲインの設計方法
    3. 4-3　離散時間系の制御構成
  5. 5．速度制御

第4章　PWMインバータによる電力変換法

  1. 1．PWMによる電圧の形成方法
  2. 2．相電圧・線間電圧・dq軸電圧の関係
  3. 3．電圧利用率向上法
    1. 3-1　方式1．3次高調波電圧法
    2. 3-2　方式2．空間ベクトル法
  4. 4．2相変調
    1. 4-1　3次高調波電圧法による 2相変調
    2. 4-2　空間ベクトル法による 2相変調
  5. 5．過変調制御
    1. 5-1　過変調制御による可変速運転範囲の拡大
    2. 5-2　過変調率と線間電圧の高調波成分
    3. 5-3　過変調制御の構成
  6. 6．デッドタイム補償
    1. 6-1　デッドタイムによる電圧指令値と実電圧値の差異
    2. 6-2　デッドタイムの補償方法

第5章　センサーレス駆動技術

  1. 1．位置センサーレスの要望
  2. 2．誘起電圧を利用するセンサーレス駆動法
    1. 2-1　位置推定原理
    2. 2-2　dq軸（磁極位置）と推定dcqc軸（コントローラの認識軸）
    3. 2-3　突極性の推定性能への影響
    4. 2-4　位置誤差推定値Δθcを用いた位置推定法
    5. 2-5　推定に用いるモーターパラメータの誤差影響
    6. 2-6　ΔLqと推定誤差による脱調現象
    7. 2-7　モーターパラメータの誤差要因
    8. 2-8　巻線抵抗Rの変動要因
    9. 2-9　q軸インダクタンスLqの変動要因
  3. 3．突極性を利用するセンサーレス駆動法
    1. 3-1　高周波電圧印加法
    2. 3-2　突極性を利用する位置センサーレス駆動の構成
    3. 3-3　極性判別
    4. 3-4　主磁束インダクタンスと局所インダクタンス
    5. 3-5　dq軸間干渉のセンサーレス特性への影響
    6. 3-6　磁気飽和、軸間干渉を考慮したインダクタンスの測定方法
  4. 4．位置決めと強制同期駆動法
    1. 4-1　位置推定方式の長所と短所
    2. 4-2　駆動原理と制御方法
    3. 4-3　強制同期駆動によるモーター回転動作
    4. 4-4　強制同期駆動の運転限界

第6章　モーター電流検出技術

  1. 1．電流センサーとシャント抵抗
  2. 2．3シャント電流検出技術
    1. 2-1　3シャント電流検出回路の構成
    2. 2-2　スイッチングによる検出値の変化
  3. 3．1シャント電流検出技術
    1. 3-1　電流検出の制約
    2. 3-2　電流の検出タイミング
    3. 3-3　電流検出率の拡大

第7章　家電機器への応用事例

  1. 1．洗濯機への適用
    1. 1-1　洗い運転
    2. 1-2　脱水・ブレーキ運転
      1. 1-2-1　短絡ブレーキ
      2. 1-2-2　回生ブレーキ
  2. 2．ヒートポンプ用コンプレッサへの適用
    1. 2-1　最大トルク／電流特性
    2. 2-2　過変調制御時の特性

第8章　可変磁力モーター

  1. 1．永久磁石同期モーターの利点と問題点
  2. 2．可変磁力モーターとは
    1. 2-1　磁力の可変方法
    2. 2-2　磁力の可変原理
      1. 2-2-1　減磁作用
      2. 2-2-2　増磁作用
    3. 2-3　可変磁力モーターの構成
    4. 2-4　磁化特性
  3. 3．可変磁力モーターの制御

付録　デジタルフィルタの設計法

  1. 1．モーター制御に用いる各種フィルタの設計手法
    1. 1-1　ローパス、ハイパス、バンドパスの種類決定
    2. 1-2　周波数毎の減衰特性の目標決定
    3. 1-3　フィルタ次数の決定
    4. 1-4　連続時間系におけるフィルタ用定数算出
      1. 1-4-1　1次ローパス→n次ローパスへの変換
      2. 1-4-2　ローパス→ハイパスフィルタへの変換
      3. 1-4-3　ローパス→バンドパスフィルタへの変換
    5. 1-5　サンプリング時間決定
    6. 1-6　離散時間系におけるフィルタ定数算出

【参考文献】

  • 関原聡一：「家電製品を支える高性能モーター駆動技術」東芝レビュー2003，VOL.58，NO.9
  • 山田敏明，中沢洋介，白石茂智：「更なる低騒音、省エネルギーを実現する鉄道車両用パワーエレクトロニクス製品」東芝レビュー2006，VOL.61，NO.9
  • 長竹和夫他：「家電用モーター・インバータ技術」，日刊工業
  • 三菱電機製IPM PS21563データシート
  • AVAGO製ゲート駆動フォトカプラACPL-P341_W341データシート
  • IR製ゲート駆動用高耐圧IC IR2110データシート
  • IR製ゲート駆動用高耐圧IC IR2136データシート本書のIR製品画像およびデータシートはIR社の許可を得て掲載しております。
  • 東芝パワーMOSFET アプリケーションノート
  • 東芝製MOSFET TK100F04K3データシート
  • 東芝製IGBT GT15J341データシート
  • AVAGO製ゲート駆動フォトカプラACPL-H342_K342データシート
  • 鈴木信行，長谷川幸久，小柴晋：「省エネ化を促進できるモーター駆動　　用ベクトル制御マイコンTMPM370」，東芝レビュー2012，VOL.67，NO.1
  • 稲葉保：「パワーMOSFET活用の基礎と実際」，CQ出版社
  • E. Clarke：Circuit Analysis of A-C Power Systems(1943) John Wiley
  • 電気学会：基礎電気機器学，電気学会（1984-2）
  • 猪狩武尚，市川友之：「三相二相変換における数値係数と変換の物理的意味に関する考察」，電気学会論文誌.D，Vol.107（1987），No.12
  • R.H.Park & B. L. Robertson：“The Reactance of Synchronous Machines”,Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs, 47, 514(1928)
  • 武田洋次，松井信行，森本茂雄，本田幸夫：「埋込磁石同期モーターの設計と制」，オーム社
  • Thomas M. Jahns, Gerald B. Kliman,Thomas W.Neumann：“Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives,”IEEE Transactions, Industry Applications, pp.738-747 (1986)
  • 森本茂雄，弓削靖，武田洋次，平紗多賀男：「PMモーターの機器定数　と出力範囲」，電気学会論文誌.D，Vol.110（1990），No.11
  • 森本茂雄，畠中啓太，童毅，武田洋次，平紗多賀男：「PMモーターの弱め磁束制御を用いた広範囲可変速運転」，電気学会論文誌.D，産業　応用部門誌，Vol.112（1992），No.3
  • 新中新二：「突極特性を持つ同期モーターベクトル制御のための再帰形指令電流生成法」，電気学会論文誌.D，Vol.118（1998），No.4
  • Thomas M. Jahns：“Flux-Weakening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive,”IEEE Trans, Industry Applications, pp.681-689(1987)
  • 中沢洋介他：「永久磁石式リラクタンスモーターの弱め磁束制御」，平成11年電気学会全国大会
  • 中沢洋介：「モーター制御装置」，登録特許公報第3566163号，出願番号P2000-1652
  • 森本茂雄，弓削靖，武田洋次，平紗多賀男：「PMモーターの機器定数と出力範囲」，電気学会論文誌.D，Vol.110（1990），No.11
  • 森本茂雄，畠中啓太，童毅，武田洋次，平多賀男：「PMモーターの弱め磁束制御を用いた広範囲可変速運転」，電気学会論文誌.D，Vol.112（1992），No.3

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