位置センサレス制御で高効率PM同期モータを設計する実習ガイド

はじめに～製造現場が抱える課題に位置センサレス制御で挑む～

近年、グローバル競争と人手不足の中で、製造業の現場では効率化とコストダウンがますます求められています。

とりわけ省エネや自動化に欠かせない「モータ制御技術」は、旧来の方式から革新的な領域へ大きくシフトしつつあります。

その中でも、位置センサレス制御による高効率PM（永久磁石）同期モータ設計は、今注目されているソリューションの一つです。

本ガイドでは、妄信的な「現場主義」に基づく具体的な導入実務から、現場に根付く昭和的思考のブレイクスルー、そして最新 trends まで、実践的な設計ノウハウを分かりやすく解説します。

技術的な深掘り、現場導入時のリアルな障壁、その解決のためのクリエイティブな考え方を惜しみなくお伝えします。

PM同期モータと位置センサレス制御とは～まずは基礎から徹底解説～

PM同期モータの基礎

PM同期モータとは、回転子に永久磁石を使用し、外部からかける磁界と同期して回転を制御するタイプのモータです。

従来型の誘導モータに比べて以下の大きな特長があります。

– 効率が高い（IE4、IE5クラスの効率も実現可能）
– トルク特性の向上
– 小型・軽量化しやすい
– 応答性が高く、制御性に優れている

産業機械、ロボット、電気自動車、家電、FAライン設備等、幅広い分野で急速に普及しています。

なぜ位置センサレス化が求められるのか？

PM同期モータは、「今、どの角度を向いているか（回転子位置）」の情報が制御上必須です。

この“位置”を知るためにはエンコーダやレゾルバなどのセンサが必要ですが、現場では次のような課題がありました。

– センサのコストが高い
– センサの設置・配線が手間
– センサが壊れることで高額修理になる
– 粉塵や油、振動などの過酷な工場環境ではすぐ故障する

このため、位置センサなし（センサレス）で安定・高精度に制御する技術に大きな需要が生まれています。

位置センサレス制御の仕組みと概要

位置センサレス制御は、モータの駆動電流・電圧から「モータの回転位置や速度」を間接的に割り出して、通常と同様のベクトル制御やフィールドオリエンテッド制御を実現します。

主な方式は次の通りです。

– モデルベース推定方式（e.g. バックEMF観測、Luenbergerオブザーバ）
– 信号注入方式（e.g. 高周波信号注入による回転子位置検出）
– 拡張カルマンフィルタ方式
– ディープラーニングなどAI活用型（技術進展中）

国内外で研究が進み、制御ICやパワエレ回路の進化、計算能力の向上により採用が広がっています。

現場で進む位置センサレスPM同期モータ化の実態

なぜ今、センサレス化が加速？業界の「昭和的オペレーション」からの脱却

多くの工場では、「昔からこの制御だったから」「うちのラインはこれで十分」といった固定観念が根強く残っています。

しかし、人手不足や設備の老朽化、カーボンニュートラルへの対応などで「もう今までのやり方では限界」と考える現場が増えてきました。

ここで注目されたのが位置センサレス制御によるメリットです。

– センサ設置・メンテの手間（人件費）の大幅削減
– 設備ダウンタイムや突発故障リスクの低減
– 工場IoT化、スマートファクトリー化との親和性
– 配線削減によるコストダウン、設計期間短縮

昭和的なアナログ現場でも、「壊れにくく、メンテがいらず、すぐ立て直せる現場」が支持され、センサレス化が未来像ではなく現実的なソリューションになっています。

バイヤー・調達側が注目！サプライヤーも知っておくべき導入時の“見ているポイント”

バイヤー（調達購買）視点では、技術選定に対し次の点を必ず見ています。

– “本質的”な省エネ・効率改善効果（カタログ値ではなく実効値で評価）
– TCO（Total Cost of Ownership）低減（調達コスト＋維持費＋ダウンタイムリスクまで算出）
– 他社との差別化可能性（性能だけでなく、メンテナンス性、拡張性も重視）
– サプライチェーン全体の柔軟性向上（センサ部材の調達リスク回避）

サプライヤー側も「なぜセンサレス化を求めるのか」、実際の現場ニーズやバイヤー視点での課題を理解しなければ、単なる“安い製品”になってしまいます。

高効率PM同期モータの設計ポイントと現場導入ノウハウ

設計における基本ステップ

1. モータ仕様の決定
　・求める出力・トルク・回転数・省エネ効率目標の明確化
　・駆動環境（周囲温度、粉塵、振動、設置スペースなど）に配慮

2. 制御方式の選択
　・ベクトル制御/FoC（フィールドオリエンテッドコントロール）を基本とし、センサレスアルゴリズム選定

3. 電気回路＆パワーエレ設計
　・駆動用インバータ回路、IGBT/MOSFET選定
　・ノイズ対策、EMC設計、回生対応

4. 計測・診断機能の実装
　・電流・電圧・温度モニタや故障検知機能の付加
　・センサレス制御アルゴリズムの調整

この時、“何を重視するか”によって最適解は変わります。

現場の人は「とにかく壊れないこと」「調整がラクなこと」を重視します。

一方でバイヤーや設計管理者は「ライフサイクル全体で最安か」「カーボンニュートラル実現へ貢献できるか」も気にします。

このギャップがあるので、現場ヒアリング・机上評価・現地実験の三段階を必ず実施してください。

位置センサレス制御における各種アルゴリズムの特徴と現場適合性

1. バックEMF観測型
　- 低速時の位置推定精度が悪い（回転開始時の“ヒヤリ”に注意）
　- 高速一定運転には高効率

2. 信号注入型
　- 低速・ゼロ速領域でも安定推定（多くの現場で好まれる）
　- 若干の制御遅れや騒音が発生するので、用途選定注意

3. 拡張カルマンフィルタ型
　- 高精度だが、計算資源・実装ノウハウが必要（量産より研究用途向け）

用途・生産性・現場作業者に応じて最適方式を選び、細かなチューニングが重要です。

工場現場に導入する際の「昭和的」課題とその突破方法

– 「今まで慣れたやり方を変えるのは怖い」→ 現場作業者と一緒にテスト、失敗しながら経験を積むことが重要
– 「制御アルゴリズムなんて現場で直せない」→ 保守画面・診断ツールを分かりやすく作り、AIサポートや自動診断も活用したりする
– 「トラブル時の原因が分かりづらい」→ 稼働状況や異常値のログを自動記録・遠隔サービスで迅速化

現場では「まず一式まるごと小型ラインで導入→現場の声を拾う→本ラインに展開」という小さなPDCAが欠かせません。