永久磁石同期モーターの制御方法（中編）

　位相はいわば「成り行き任せ」の制御であり、電流の遅れなどの影響を受けかねない。そこで、位相までを、つまり磁束の方向と大きさの両方を的確に制御しようというのがベクトル制御である。

位相も対象にするベクトル制御

　ベクトル制御では、磁束を縦軸と横軸に分割して扱う。一般的には、q軸（横軸）とd軸（縦軸）の2軸に分割して制御する（図1）。モーター巻き線電流による磁束を所望する値に維持し、必要なトルクを発生させるために、インバーター出力電流の大きさ、周波数、位相を制御する。

図1　ベクトル制御のイメージ図

ベクトル制御では磁束の方向と大きさの両方を制御する。一般的にq軸（横軸）、d軸（縦軸）の2軸に分割して制御を行う。（作成：筆者）

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　その効果を端的に示すのが、いわゆる「弱め界磁」、「強め界磁」制御である。例えば図1に示したように、d軸電流I_dで作られる磁束が永久磁石の磁束と逆向き（同図の場合は下向き）になるように制御すると、永久磁石の磁束が弱められる。高速回転時には起電力の影響が大きくなり、モーターの駆動電流が流れなくなり、回転数が上がらない現象が起きる。これに対して、弱め界磁制御を行うことによってトルクは減少するが起電力が小さくなるため、同じ電圧でも回転速度を高めることができる。

　一方、図1に示されるd軸電流の方向を逆にすることで、上向きの磁束を作ることができる。この場合は、永久磁石による磁束とd軸電流による磁束が加算されるため、見かけ上、永久磁石の磁束を強められ、トルク増大に寄与する。これを強め磁界制御と呼ぶが、一般的には、磁気飽和が起きるために実行してはならない制御である。

　このようにベクトル制御では、d軸とq軸とに分割し、それぞれの電流（d軸電流i_dおよびq軸電流i_q）を制御することにより、より目的に合った的確な磁束を作ることができる。d軸電流i_dおよびq軸電流i_qは、i_u、i_v、i_wの三相の電流とローター位置から計算で求めることができる^＊1。

　永久磁石同期モーターは、図2のd-q軸モデルに示されるように、d軸電流i_dを変化させるとq軸電流i_qが変化し、q軸電流i_qが変化すると、d軸電流i_dが変化するという干渉が起きる。この干渉は、起電力によって起きているため、回転速度情報をセンサーで検出して、制御することで干渉を排除することができる。これを非干渉制御という。これは、i_qとi_dが干渉し、モーター駆動時に起きる不安定化要因を回避するため、多くのベクトル制御では、非干渉回路が組み込まれている。

図2　非干渉制御による電流制御システム

破線で囲んだ部分がモーター内部。計測可能な回転速度、d軸電流、q軸電流を用い、図のような制御ブロックを使って起電力による干渉を回避できる。（作成：筆者）

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　具体的には、計測可能なモーター巻き線電流をフィードバックして制御器を介し、i_d＊とi_dとの差が0になるように電圧v_dを制御する（図2）。電圧v_qも同様である。このように、非干渉制御器を入れることで電流制御の応答性が高まり、永久磁石同期モーターのベクトル制御が可能になる。

　この非干渉制御を適用した場合の永久磁石同期モーターのブロック図を、図3に示した。上編の第6回で解説した直流モーター（ブラシ付きDCモーター）の伝達関数と基本的に同じだが、起電力定数KEを通って戻っていた起電圧の部分がなくなり、i_dとi_qを個別に制御する形となる。

図3　永久磁石同期モーターの非干渉制御を用いた電流制御のブロック図

（a）は、非干渉制御を行った永久磁石同期モーターの電流制御のブロック図。d軸電流、q軸電流をそれぞれ単独で制御できるようになる。（b）は、ブラシ付きDCモーターのブロック図である。（a）のq軸電流によるブロック図に注目すると、ブラシ付きDCモーターと同様なブロック図になるが、K_Eを経由してフィードバックされている起電力の部分がない。（作成：筆者）

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　このように永久磁石同期モーターをベクトル制御すると、d軸電流i_dを0とすれば普通のブラシ付きDCモーターと同じように扱うことができる。起電圧がキャンセルされているため、q軸電流i_qを制御しやすい。