中・高速域および停止・低速域向けの位置センサレス制御とプログラム例

位置センサレス制御の概要

位置センサレス制御とは、モーターや駆動機器の動作において位置センサーを用いずに制御を行う技術です。
これはモーターコントロールの分野で技術革新が進む中、高効率とコスト削減を追求する過程で発展してきた手法です。
従来のセンサーを使用する制御に比べると、ハードウェアのコストやメンテナンスが減少するため、製造業における重要なトピックとなっています。

位置センサレス制御のメリット

位置センサレス制御の最大の利点は、機械的に取り付けられるセンサーが不要になることです。
これにより、機器の総合コストを削減し、機械の設計がシンプルになります。
また、センサーが故障した場合のダウンタイムのリスクも削減でき、信頼性が向上します。
加えて、センサーフリーのデザインは環境や取り付け条件に左右されないため、設計の自由度が高まるとともに、高温や機械的ストレスがかかる環境でも使用が可能です。

中・高速域でのセンサレス制御

中・高速域での位置センサレス制御は、トルクと速度の制御の精度が特に重要です。
ここでは、フラックス推定やトルク推定といったアルゴリズムを駆使し、リアルタイムでモーターの動作をコントロールします。

フラックス推定を用いたセンサレス制御

中・高速域では、一般的に回転磁界理論に基づいたフラックス推定が利用されます。
フラックス推定は、回転する磁界からローターの位置を間接的に計測します。
この方法は、高い精度でモーターの回転角を推定することが可能であり、電動機のダイナミックな動作に対応できます。

トルク推定の精度向上

トルク推定のアルゴリズムも欠かせません。
トルク推定法は、電流の変化を基にトルク変動をリアルタイムで計算し、モーターの挙動を安定させます。
この技術は、速度変動や負荷変動が多い中・高速域において最適なモーター駆動を可能にします。

停止・低速域におけるセンサレス制御

停止や低速域では、位置センサレス制御はさらなる挑戦を要します。
低速域では摩擦やこちらからの電流による影響を正確に計測・補正することが重要です。

ソフトウェアロックイン法

低速域または停止時における制御で効果的なアルゴリズムの一つが「ソフトウェアロックイン法」です。
この手法では、電動機に特定の電流パターンを流し、リアクタンスの変化でモーターの位置を間接的に検出します。
これにより、センサーなしでの停止・起動時においても高精度な位置管理が可能になります。

位相の補正と起動安定化

低速時の制御で求められる技術は、位相の精密な補正と起動時の安定化です。
これにより、最初のスピンアップの段階での振動や不安定な動作を軽減できます。
独自の位相シフトと制御アルゴリズムを用いることで、スムーズな起動を実現します。

プログラム例

位置センサレス制御の中で最も使われる制御プログラムの一例を紹介します。
このプログラムは、基本的なアルゴリズムを元にしたもので、センサレス制御を始める上での参考として活用できます。

制御プログラムの基本構成

制御プログラムは以下のステップで構成されます：

1. **初期設定**：
– パラメーターや初期状態の設定、制御対象システムの初期化。

2. **フラックス推定と評価**：
– 回転磁界を基にリアルタイムで回転角を計算し、ローター位置を推定。

3. **トルク制御**：
– トルクと速度のリアルタイム制御を実施、負荷変動に応じた制御値の最適化。

4. **低速・停止域の制御**：
– ソフトウェアロックイン法を用いてモーター位置を補正、位相補償。

5. **負荷変動対策**：
– 勾配評価ロジックを導入し、突然の負荷変動に応じた対応を拡充。

6. **最終状態の設定**：
– 制御完了後のシステム状態の評価と最終設定、制御終了後のシステム安定化。

注意点と考慮事項

制御プログラムの開発において重要な点は、アルゴリズムの可変性と用途に応じた最適化です。
業務フローや具体的なアプリケーションに沿ったプログラムのカスタマイズが必要となります。
また、更新可能なサブルーチンを持つことで、制御ポテンシャルの最大化と新たな技術革新に対応可能な柔軟性を持たせることも求められます。

まとめ

位置センサレス制御は、モーター制御の効率化とコスト削減を実現するための重要な技術です。
中・高速域から停止・低速域までの幅広い範囲でこの技術を適用することで、機械設計の自由度が増し、トータルコストダウンを達成できます。
この技術の導入は、製造業の進化に不可欠であり、今後もビジネスプロセスの最適化に寄与することが期待されています。
製造業界における競争力を高めるために、この技術の応用範囲を積極的に探求していくことが求められます。