デュアル三相PMSMの高性能制御でEV駆動を革新
電気モビリティの進化が加速する中、効率的で信頼性が高く堅牢な電気駆動システムの開発がこれまで以上に重要となっている。自動車メーカーや技術開発企業が次世代車両のパワートレインを改良する競争を繰り広げる中、画期的なモーター制御手法の進化が世界中の技術者や研究者の注目を集めている。新たに発表された研究は、電気自動車（EV）や航空宇宙システムのような高性能・安全重視の応用分野で需要が高まる「デュアル三相永久磁石同期電動機（PMSM）」向けに特化した新しいロバストモデル予測制御（MPC）戦略を提案している。
この革新の核心は、スライディングモードオブザーバー（SMO）技術と従来のモデル予測電流制御の高度な統合に加え、リアルタイムパラメータ変動推定と遅延補償を組み合わせた制御アーキテクチャにある。これにより、動的応答の高速化や電流リプルの最小化に加え、抵抗値・インダクタンス・磁束などの実世界の不確実性に対するシステムの耐性を大幅に強化しながら、安定性と効率を両立させることに成功した。
湖北工業大学・湖北太陽エネルギー高効率利用共同創新センターのチャン・ジェンジョン、ディン・イーダン、ユエン・レイが主導した本研究は、高度なモーター制御における最大の課題の一つである「パラメータ不一致への敏感性」に正面から挑む。現実のEV運用では、温度変動や部品の経年劣化、製造公差によりモーターパラメータが変動する。従来の制御手法ではこうした条件下で性能低下やトルクリプルの増大、場合によっては不安定化を招くが、新手法はこの脆弱性を直接解決する。
デュアル三相PMSMの利点と課題
30電気度ずつ空間位相が異なる二組の三相巻線を備えるデュアル三相PMSMは、従来の三相モーターに比べ複数の優位性を持つ。トルク脈動の低減、高調波成分の抑制、一相の故障時も継続運転可能な耐故障性、電力密度の向上などが代表的だ。しかし、この複雑なシステムの真価を引き出すには、各巻線セットを独立した回転座標系に変換する「デュアルd-q座標変換」を用いた高度な制御アルゴリズムが不可欠となる。
モデル予測制御の限界を打破
本研究の基盤となる有限制御セット・モデル予測制御（FCS-MPC）は、動的応答の速さや複数目的最適化の容易さから広く利用されるが、モーターモデルの精度に依存し過ぎる弱点があった。僅かなパラメータ誤差でも予測誤差が増大し、最適でない電圧ベクトルを選択することで電流追従性能が低下する。
この課題に対し、研究チームはスライディングモードオブザーバーを用いたオンラインパラメータ推定機構を導入。外乱耐性に優れるスライディングモード制御の特性を活かし、ΔR（抵抗変動）、ΔLd/ΔLq（インダクタンス誤差）、Δψf（磁束連鎖誤差）などの総合的なパラメータ変動をリアルタイムで推定。予測モデルにフィードバックすることで、物理パラメータが変動中でも「最新化されたモデル」で制御を継続可能にした。
遅延補償で高精度化
デジタル制御システムに固有の演算遅延やスイッチング遅延の影響を緩和するため、2ステップ先（k+2）の状態予測に基づく遅延補償方式を採用。EV駆動系のようにミリ秒単位のタイミングが乗り心地やエネルギー効率に直結する用途では、この改良がシステム安定性の鍵となる。
厳密なシミュレーションで効果を立証
MATLAB/Simulinkを用いた詳細なシミュレーションにより、従来MPCとの性能比較を実施。急激な負荷トルク変動（急加速や登坂を模擬）を加えた試験では、SMO-MPCが37ミリ秒以内に速度を安定化（従来比45ミリ秒）、オーバーシュートを2％未満（従来比4.8％）に抑制。電磁トルクリプルも大幅に低減し、機械的騒音・振動の主要因を解消した。
過酷なパラメータ変動試験では、インダクタンスを50％～200％、抵抗を±50％、磁束連鎖を±10％変化させる条件下で、従来MPCが電流波形の歪みや追従誤差を生じたのに対し、SMO-MPCは安定した電流制御を維持。FFT解析では全高調波歪率（THD）1.03％（従来比3.55％）を達成し、滑らかなトルク伝達と静粛性を実証した。
EV設計への波及効果
電流リプルの低減は銅損削減による効率向上と航続距離延伸を可能にし、パラメータ変動への耐性向上は製造公差の緩和や再較正頻度の低減を通じコスト削減に寄与する。特にISO 26262などの自動車安全規格が求める「部分故障後の継続運転能力」との親和性は、EVの信頼性向上に直結する。
産業応用の展望
既存のインバータハードウェアとデジタル信号プロセッサとの互換性を維持しつつ、追加センサーや過剰な計算資源を必要としない本手法は、自動車業界以外にも航空宇宙アクチュエータ、産業用ロボット、船舶推進システムなどへの展開が期待される。従来、制御の難しさから特殊用途とされていたデュアル三相PMSMが、汎用技術として普及する可能性を開く。
制御工学の新潮流
古典的なロバスト制御理論と現代的な予測制御技術の融合は、モーター制御の新たなパラダイムを示唆する。パラメータ同定の精密さに依存する従来アプローチを超え、実環境の不確実性を積極的に補償する設計思想は、移動体アプリケーションの予測不能な動作環境に最適だ。将来的には機械学習を組み込んだ外乱予測の高度化や、動作条件に応じたオブザーバゲインの適応化などが進むと予想される。
社会インパクト
温室効果ガス規制の強化と消費者のEV性能期待の高まりを受けて、本研究で示された技術的ブレイクスルーは、実験室レベルの革新と実用技術のギャップを埋める重要な役割を担う。アルゴリズムの進化がハードウェアの限界を突破し、電気推進システムの競争力を一段階引き上げる可能性を秘めている。
著者
チョウ・チェンジェン、ディン・イーダン、ユエン・レイ
所属機関
湖北太陽エネルギー高効率利用共同創新センター（湖北工業大学）
掲載誌
Fire Control & Command Control, 2024, 49(8): 127–136
DOI
10.3969/j.issn.1002-0640.2024.08.017