氏名　上町　俊幸
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第80号
学位授与の日付　平成8年3月25日
学位論文の題目　誘導電動機の高性能速度制御に関する研究
論文審査委員
　主査　教授　高橋　勲
　副査　教授　村田　正男
　副査　助教授　近藤　正示
　副査　助教授　大石　潔
　副査　明治大学　教授　松瀬　貢規

• 論文目次
• 論文要旨

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目次
第1章　序論　p.1
1.1　研究の背景　p.1
1.2　研究の目的　p.3
1.3　論文の概要　p.6
第2章　誘導電動機駆動法の基礎　p.12
2.1　まえがき　p.12
2.2　誘導電動機駆動の基本技術　p.13
2.2.1　誘導電動機の原理　p.13
2.2.2　誘導電動機の過渡解析　p.14
2.2.3　誘導電動機の等価回路　p.17
2.3　誘導電動機の高性能化制御技術　p.20
2.3.1　インバータによる誘導電動機の駆動　p.20
2.3.2　ベクトル制御　p.23
2.3.3　直接トルク制御　p.27
2.4　速度センサレス制御技術　p.32
2.4.1　速度推定法　p.32
2.4.2　パラメータ変動補償　p.36
2.5　本研究の位置づけ　p.38
2.6　むすび　p.41
第3章　誘導電動機の超広範囲高速直接速度制御　p.44
3.1　まえがき　p.44
3.2　制御原理　p.45
3.2.1　超低速制御の原理　p.45
3.2.2　高速トルク制御の原理　p.52
3.2.3　一次磁束一定制御による直接速度制御　p.56
3.3　システム構成　p.57
3.3.1　基本制御システム　p.57
3.3.2　インバータ主回路構成　p.60
3.3.3　DSPを用いた制御システム構成　p.61
3.4　シミュレーション結果及び実験結果　p.68
3.5　むすび　p.79
第4章　誘導電動機の速度センサレス直接速度制御　p.82
4.1　まえがき　p.82
4.2　直接速度制御システム　p.84
4.2.1　制御原理　p.85
4.2.2　システム構成　p.87
4.3　速度推定法　p.88
4.3.1　速度推定法と原理　p.89
4.3.2　パラメータ変動の影響　p.91
4.4　一次抵抗補償法　p.97
4.5　実システム構成　p.100
4.6　シミュレーション及び実験結果　p.106
4.7　むすび　p.112
第5章　誘導電動機の直接速度演算によるセンサレス速度制御　p.117
5.1　まえがき　p.117
5.2　速度演算法と原理　p.119
5.3　パラメータ変動による影響　p.122
5.3.1　一次抵抗変動による影響　p.124
5.3.2　漏れインダクタンス変動による影響　p.126
5.3.3　励磁インダクタンス変動による影響　p.128
5.4　センサレス速度制御への応用　p.130
5.4.1　システム構成　p.130
5.4.2　パラメータ変動補償　p.133
5.5　シミュレーション結果及び実験結果　p.136
5.6　むすび　p.142
第6章　誘導電動機の直接二次抵抗演算によるセンサレス速度制御　p.148
6.1　まえがき　p.148
6.2　二次抵抗演算法と原理　p.151
6.3　パラメータ変動による影響　p.153
6.3.1　一次抵抗変動による影響　p.155
6.3.2　漏れインダクタンス変動による影響　p.156
6.3.3　励磁インダクタンス変動による影響　p.158
6.4　センサレス速度制御への応用　p.160
6.4.1　システム構成　p.160
6.4.2　パラメータ変動補償　p.165
6.5　シミュレーション結果及び実験結果　p.166
6.6　むすび　p.169
第7章　結論　p.174
7.1　各制御法のまとめ　p.176
7.2　各制御法の比較　p.180

　現在、FA機器、ロボット、電車等における動力源として、PWMインバータを用いた誘導電動機ドライブシステムが主流となっている。これは、誘導電動機が、安価、堅牢で、信頼性が高い等、数多くの長所をもとことに加え、インバータ制御技術の進歩が、その制御性を大きく向上させたことによっている。特に、ベクトル制御の開発により、困難とされてきた過渡トルクの制御が可能となり、高速トルク応答が実現した。しかし、システムが複雑となり、低速駆動が困難であるなどの問題があり、改善策が要求されている。
　本研究は、種々の誘導電動機高性能速度制御システムの開発を目的としており、簡単なシステムで高速トルク制御が可能な直接トルク制御と、一日一回転の超低速駆動が可能な超広範囲直接速度制御を基礎とし、ベクトル制御なみの高速トルク応答と、1rph以下の超低速駆動特性を合わせ持つシステムを提案している。
　また、速度センサの使用が不可能な場合を想定した。センサレス制御システムの開発も目的としている。しかし、センサ不要のベクトル制御では、低速駆動に難があることや、誘導電動機パラメータの変動が、速度の制御性に影響を及ぼすといった問題点が指摘されている。ここでは、誘導電動機のパラメータ変動の問題に着目し、特に、一次抵抗、二次抵抗に対するロバスト化を行ない、従来の20倍程度の精度を持つシステムを開発している。
　一方、高速演算素子のDSPが発展し、複雑な制御演算が短時間で実行可能となったことから、これらの制御システムを完全ディジタル化する手法を提案している。
　本論文は、7章から構成されており、第1章の序論では、研究の背景、及び、研究の目的を述べている。
　第2章は、誘導電動機駆動技術の基礎として、誘導電動機の原理、等価回路を示し、これまでに開発された誘導電動機のインバータ駆動技術について詳細に述べている。また、各制御法の特徴を述べ、それぞれに対して改善すべき問題点を示している。更に、数多く提案されている速度センサレス制御を分類し、本研究の明確な位置づけを示している。
　第3章は、超広範囲直接速度制御と直接速度制御の組み合わせにより、高速トルク応答と、超広範囲制御領域を合わせ持つ速度制御システムを提案し、以下の結果を得ている。
・1:20万の速度制御領域と高速トルク応答特性を合わせ持つシステムを構成している。
・DSPを用いてソフトウェア制御システムとしている。
・ディザーによりA/Dコンバータの高分解能化を行ない、10ビットA/Dコンバータを安価な8ビットのA/Dコンバータにより構成している。
　第4章では、第3章で開発した超広範囲高速直接速度制御法のセンサレス化を行ない、更に、一次抵抗に対するロバスト化を検討している。ここでは、以下の結果を得ている。
・簡単な速度推定機構により、1:30の速度制御領域を持つシステムを構成している。
・フィードフォワードの付加により、過渡応答特性を改善している。
・無効電力による磁束演算法を利用した、一次抵抗推定法を提案している。これにより、速度推定が一次抵抗にロバストとなることをシミュレーションにより確認している。
　第5章では、二次抵抗に対するロバスト化の手法として、二次抵抗を用いず速度を直接演算する手法を提案し、以下の結果を得ている。
・提案する速度演算を用い、1:30の制御領域を持つセンサレス速度制御を構成している。
・漏れインダクタンス変動の影響が大きいため、漏れインダクタンスの変動をテーブル化し、その影響を抑えている。
・誘導電動機の温度変化により二次抵抗が変動する状態で、従来法で生じた20rpmの速度制御誤差を、本手法では1/10以下に抑えている。
　第6章では、速度を用いない二次抵抗演算法を提案している。また、センサレス制御の二次抵抗補償により、二次抵抗に対するロバスト化を行ない、以下の結果を得ている。
・提案する二次抵抗演算を行ない、5％の精度で二次抵抗演算値が得られた。
・漏れインダクタンス変動による演算誤差を、漏れインダクタンス変動のテーブルを用いることで抑えている。
・本手法により速度センサレス制御の二次抵抗補償を行ない、二次抵抗の変動により生じる40rpmの速度制御誤差を、1/20以下に抑えている。
　第7章は結論であり、提案した制御法に対する結論を述べている。また、各制御法の比較を行ない、それぞれの適用分野に対する指針を示している。