センサレス制御の概要

センサレス制御は、その名の通り、フィードバックに物理的なセンサを使わずに動作する制御技術です。従来の制御方法では、速度センサや位置センサなどの物理センサを使用して制御システムにフィードバックを提供します。このフィードバックは、制御システムがシステムの状態や環境の変化に応答することを可能にするため、システムの適切な動作と性能にとって不可欠です。

しかし、物理センサの使用にはいくつかの課題があります。センサはシステムのコスト、複雑さ、サイズを増大させます。また、センサが故障したり、位置がずれたり、温度、湿度、振動などの環境条件の影響を受けたりするため、脆弱性をさらけ出す可能性があります。さらに、いくつかのアプリケーションでは、センサの使用は実現不可能または望ましくないかもしれません。例えば、高速や高温のアプリケーションでは、物理センサは動作条件に耐えられないことがあります。

これらの課題を克服するために、センサレス制御技術が開発されました。これらの技術は、電圧や電流などの測定可能な量から速度や位置などの必要なフィードバック信号を推定することを目的としています。センサレス制御技術は、処理能力と制御アルゴリズムの進歩によりますます洗練されてきました。それらは特定のアプリケーションでセンサベースの制御と同等またはそれ以上の性能を提供することができます。

センサレス制御技術の主な目的は、システムの信頼性、堅牢性、効率を向上させることです。これらの技術は、モータ駆動、再生可能エネルギーシステム、その他のパワーエレクトロニクスシステムを含む様々な分野で応用されています。以降の節では、モータ駆動や再生可能エネルギーシステムにおけるセンサレス制御を実装するための戦略をより深く掘り下げ、センサレス制御の利点と課題について議論します。

モータ駆動用のセンサレス制御戦略

センサレス制御が大きく勢いを増した分野の1つは、モータ駆動の分野です。本項では、モータ駆動のために開発された各種センサレス制御戦略について、主に様々なアプリケーションで広く使用されている誘導および永久磁石同期モータ (PMSM) に焦点を当て説明します。

逆起電力ベースの推定: この方法は誘導電動機とPMSMの両方に適用できます。PMSMでは、逆起電力 (back-emf) はロータ速度に比例し、これを用いてロータの位置を推定することができます。しかし、この方法は逆起電力の大きさが小さいため低速では困難です。

誘導モータのスリップ速度推定: 誘導電動機では、スリップ速度はロータの位置を推定するために使用されます。これには、ロータの磁束とステータ電流の推定が含まれ、それを使用してスリップ速度を計算します。この手法はモデル規範適応システム (MRAS) として知られ、幅の広い速度で動作します。

高周波信号の注入: この方法は、モータへの高周波信号の注入を含みます。得られた応答は、ロータの位置を推定するために使用されます。この技術は低速や停止条件で有効であるが、より複雑な信号処理アルゴリズムが必要です。

直接トルクおよび磁束制御 (DTFC): DTFCでは、固定子の磁束鎖交と電磁トルクは適切な電圧ベクトルを選択することによって直接制御され、ロータ位置のフィードバックを必要としません。この方法は高速動的応答を提供し、様々な負荷条件下で効果的に働きます。

カルマンフィルタとオブザーバベースの方法: これらの手法は、カルマンフィルタのような数学的モデルとアルゴリズムを用いて、ロータの位置を含むモータの状態変数を推定します。これらの非常に効果的な方法は、正確なモータパラメータとより複雑な計算アルゴリズムを必要とします。

再生可能エネルギーシステムにおけるセンサレス制御

再生可能エネルギーシステムの状況では、センサレス制御技術は信頼性と費用対効果の点で大きな利点を提供します。本項では、風力タービンや太陽光発電システムなどの主要分野でこれらの手法がどのように採用されているかを説明します。

風力エネルギーシステム: 風力タービンシステムは一般的にセンサレス制御法を用いてロータの回転速度と位置を推定し、通常は永久磁石同期発電機 (PMSG) や誘導発電機です。逆起電力やカルマンフィルタに基づく手法がよく用いられますが、風速の非リニア性と変動性により、これらの手法は困難です。これらの課題を克服するために、スライディングモードオブザーバ (SMO) やモデル規範適応システム (MRAS) のような技術も適用されます。センサレス制御はシステムの複雑さとコストを削減し、過酷な風力タービン環境にさらされる物理センサを排除することで信頼性を向上させます。

太陽光発電システム: PVシステムでは、センサレス制御技術は主に最大電力点追跡 (MPPT) に焦点を当てています。MPPTアルゴリズムは電圧または電流を調整して、さまざまな放射照度と温度条件の下でPVアレイからの出力を最大化します。P&O (Perturb and Observe) やインクリメンタルコンダクタンスなどの従来のMPPT技術は、PV電圧と電流を測定するためにセンサに依存しています。しかし、オープンサーキット電圧法やショートサーキット電流法などのセンサレスMPPT技術は、PVモジュールの特性に基づいて最大電力点を推定します。これらの技術はシステムのコストと複雑さを低減するのに役立ちますが、センサベースの手法ほど正確ではないかもしれません。

その他の再生可能システム: 水力発電や潮力エネルギーのような他の再生可能エネルギーシステムでは、風力エネルギーシステムと同様にセンサレス制御方法が適用されています。主な目的は発電機のロータの速度と位置を推定し、環境から最適なエネルギーを抽出することです。

センサレス制御の利点と課題

センサレス制御の利点

コスト削減: システムからセンサを取り外すことで、全体的なコストを大幅に削減できます。特に、少量のコストでも大きな影響を与える大規模なアプリケーションではそうです。

信頼性の向上: センサは多くのシステムで障害のポイントになることがあります。これらを排除することにより、特に過酷な動作環境において、システムの全体的な信頼性と寿命を向上させることができます。

シンプルさとコンパクトさ: センサレス制御システムは、センサに必要な余分なスペースや配線を必要としないため、よりシンプルでコンパクトになる傾向があります。

メンテナンス: メンテナンスや交換が必要なセンサがないため、センサレス制御システムはより簡単で安価になる可能性があります。

センサレス制御の課題

パフォーマンスの制限: センサレス制御技術は、特に低速やモータ駆動の停止時、または再生可能エネルギーシステムの急速に変化する条件下では、センサベースの方法と同じレベルの性能を提供できない場合があります。

制御アルゴリズムの複雑さ: センサレス制御に必要なアルゴリズムは、センサベース制御に比べて複雑であり、システムの計算資源への負荷が増大し、システム設計やデバッグが難しくなります。

精度: センサレス制御技術は、推定や仮定に依存することが多く、センサベースの方法と比較して制御の精度が低下する可能性があります。これらの推定精度は温度、経年変化、負荷変動などの様々な要因に影響されます。

初期起動: センサレス方式は、多くの方式が効果的に開始するためにある程度の動作のフィードバックを必要とするため、初期起動時や低速時に困難になることがよくあります。その結果、応答時間が遅くなったり、この課題に対処するために追加の技術が必要になったります。

要約すると、センサレス制御はコストの削減や信頼性の向上などの大きな利点をもたらしますが、これらの利点は潜在的な性能の低下、制御アルゴリズムの複雑さの増加、制御方法の精度の問題と比較検討する必要があります。センサベース制御かセンサレス制御かの選択は、特定のアプリケーションとその要求に大きく依存します。