電動車用モーター制御に革新技術
電動車（EV）の性能を左右する最も重要な要素の一つが、その心臓部であるモーターの制御技術である。近年、内蔵型永久磁石同期モーター（IPMSM）は、その高い出力密度と優れた効率から、多くのEVに採用されている。しかし、この高性能モーターは、非線形性や多変数の強結合といった複雑な特性を持ち、内部のパラメータ変動や外部の負荷変動といった「擾乱」に非常に敏感である。従来の制御方式、特に広く使われているPI（比例・積分）制御では、これらの擾乱に対応しきれず、加速時の速度のオーバーシュート（過渡応答）や、急な負荷変化に対する追従性の悪さといった課題が長年指摘されてきた。これらの問題は、単なる数値の話ではなく、実際の走行では「加速がもたつく」「登坂時にぐらつく」といった不快な乗り心地に直結する。
この業界の課題に真っ向から挑み、画期的な解決策を提示したのが、中国・瀋陽化工大学情報工程学院の孔暁光（Kong Xiaoguang）准教授と栾兆宇（Luan Zhaoyu）氏の研究チームである。彼らが提唱する新しい制御戦略は、従来の「モデルに依存する」制御の常識を覆し、「モデルに依存しない」新しいアプローチを採用することで、モーター制御の性能と信頼性を飛躍的に向上させることに成功した。その研究成果は、学術誌『大連工業大学学報』（Journal of Dalian Polytechnic University）に掲載され、その内容は自動車技術の進化に大きな影響を与える可能性を秘めている。
従来のPI制御の根本的な弱点は、「正確な数学モデル」に頼っている点にある。制御システムは、モーターの抵抗、インダクタンス、磁束などの物理パラメータを正確に把握し、それらを基に制御量を計算する。しかし、実際のEVでは、モーターは運転中に発熱し、その結果、抵抗値が変化する。また、磁気飽和現象により、インダクタンスも速度や電流によって変動する。このように、モデルが想定する「理想の状態」と、実際の「動的な状態」の間に差が生じると、PI制御の性能は急激に低下する。これは、天気予報が完璧なモデルに基づいていても、予測できない突風に見舞われるようなものだ。
孔氏らの研究が革命的なのは、この「モデルの不確かさ」という根本的な問題を、全く異なる視点で捉え直したことにある。彼らが採用した「自己抗擾制御」（ADRC）という技術は、モーターの内部の不確かさ（内乱）も、外部の負荷変動（外乱）も、すべてを一つの「総合的擾乱」として捉える。そして、この見えない擾乱を、システム内部でリアルタイムに「観測」し、その影響を即座に打ち消す「補償」を行う。この「観測」と「補償」のプロセスを担うのが、「拡張状態観測器」（ESO）と呼ばれる核心的なアルゴリズムである。
このアプローチの優れた点は、モーターの正確な数学モデルが不要だということだ。ADRCは「モーターがどう動くか」を完璧に知る必要はなく、「何が邪魔しているか」を察知し、その邪魔を退けることで、理想的な応答を実現する。まるで、視界が悪い中で、風の音や気圧の変化から突風の到来を察知し、その風に向かって逆らう力でバランスを取るようなものである。このため、モーターの温度変化や個体差といった不確かさがあっても、安定した高性能を発揮できる。研究では、このADRCをモーターの「速度制御ループ」に導入し、従来のPI制御を置き換えた。その結果、シミュレーション上では、速度指令値への追従が極めて速く、オーバーシュートがほとんどないことを確認している。また、急に負荷が加わった（例えば、急な坂を登り始めた）ような状況でも、速度の変動が小さく、素早く元の速度に戻る「擾乱抑制能力」に優れていることが実証された。
しかし、孔氏らの戦略はADRCの導入に留まらない。彼らは、モーターの全運転領域にわたって最適な性能を発揮するための、包括的な制御フレームワークを構築している。それは、低速域から高速域までをシームレスにカバーする三本の柱から成る。
第一の柱は「最大トルク・パー・アンペア」（MTPA）制御である。これは、モーターが定格回転数以下で運転する際の基本戦略だ。IPMSMの特徴は、永久磁石による「磁石トルク」と、ローターの凸極性（サリエントポール）によって生じる「リラクタンストルク」の両方を利用できることにある。MTPA制御は、この2つのトルクを巧みに組み合わせ、与えられたトルクを出すために必要な電流（銅損）を最小限に抑える。電流が小さければ、モーターの発熱が抑えられ、効率が向上し、結果としてEVの航続距離が伸びる。これは、都市部の走行や巡航走行など、日常的な運転シーンで極めて重要な技術である。
第二の柱は「弱磁制御」であり、これが高速域での性能を決定づける。モーターの回転数が上がるにつれ、モーター自身が発生する「逆起電圧」も高くなる。インバータ（モーターを駆動する電力変換装置）には出力電圧の上限があるため、ある回転数に達すると、それ以上回転数を上げることができなくなる。この壁を打ち破るための方法が弱磁制御だ。永久磁石の磁束を、意図的に打ち消す方向の電流（減磁電流）を流すことで、モーターの磁束を「弱める」。これにより逆起電圧が低下し、インバータの電圧余裕が生まれ、モーターはさらに高速回転できるようになる。
ここで、従来の弱磁制御には大きな課題があった。それは、非常に複雑な計算を必要とし、モーターの正確なパラメータに強く依存していたため、実用上、制御が不安定になりやすいことだ。孔氏らの研究は、この点にも着目し、よりシンプルで堅牢な「先行角弱磁制御」という手法を採用している。これは、電流ベクトルの位相角を調整することで、減磁電流を自然に増加させる方法であり、複雑な計算を回避できる。この手法により、定格回転数を超えた高速域でも、安定した弱磁制御が可能となり、モーターの速度範囲が有効に拡大される。
ADRC、MTPA、先行角弱磁制御——この三つの技術が統合されたことで、モーターは低速から高速まで、常に最適な状態で動作できる。孔氏らは、この統合制御システムをMATLAB/Simulink上でシミュレーションし、その有効性を検証した。シミュレーションでは、モーターが3500rpmの定格回転数から、5500rpmという高速域に急加速するシナリオを設定し、さらに途中で急に負荷が加わるという厳しい条件を課した。
その結果は顕著だった。ADRCを採用したシステムは、高速域への加速が非常にスムーズで、速度のオーバーシュートが極めて小さかった。一方、従来のPI制御では、速度が大きく上振れする現象が見られた。また、急な負荷変動に対しては、ADRCシステムは速度の低下が小さく、即座に目標回転数を回復した。トルクの応答においても、ADRCは13N・m程度の小さなオーバーシュートに抑えられたのに対し、PI制御は15N・mを超える大きなオーバーシュートを示した。これは、実際の走行では、アクセルを踏んだ時の「突き上げ感」や、登坂時の「ぐらつき」が大幅に軽減されることを意味する。さらに、弱磁制御に不可欠なd軸電流の波形を見ると、ADRCを用いた場合の変動が非常に小さく、より安定した弱磁制御が行われていることが確認できた。
この研究の意義は、学術的なものにとどまらない。それは、EVの「走り」の本質を改善する、実用性の極めて高い技術革新である。モーターのハードウェアを変更することなく、ソフトウェアの制御アルゴリズムを進化させることで、性能、効率、快適性のすべてを向上させることができる。これは、開発コストの抑制や、既存プラットフォームへの適用性という点でも大きな利点がある。特に、ADRCの「モデル非依存性」という特性は、量産車に求められる「堅牢性」や「一貫性」に直結しており、個体差や環境変化に強い制御が実現できる。
自動車産業は、電動化の波の中で、より洗練された駆動制御が求められている。単に「走る」だけでなく、「気持ちよく」「安心して」「効率よく」走れることが、EVの価値を高める。孔暁光氏と栾兆宇氏の研究は、その一歩を確実に前に進めたものであり、近い将来、私たちが乗るEVの、より滑らかで力強い加速の裏側に、この技術が静かに働いているかもしれない。
孔暁光、栾兆宇、大連工業大学学報、DOI: 10.19670/j.cnki.dlgydxxb.2024.0313