ADRC制御でEVモーター性能が飛躍的に向上
電気自動車（EV）の進化は、バッテリーの容量向上にとどまらない。むしろ、その真の競争の舞台は、動力の心臓部であるモーターの「頭脳」、つまり制御技術に移っている。走行性能、航続距離、そしてドライバーが感じるレスポンスの良さは、すべてこの制御システムの巧拙にかかっている。現在、多くのEVに採用されている「埋め込み磁石型同期モーター（IPMSM）」は、その高い出力密度と効率で知られているが、その性能を最大限に引き出すことは容易ではない。このモーターは、温度変化による内部パラメータの変動や、急加速・急減速による外的負荷変動などに非常に敏感な非線形の複雑なシステムである。従来の主流であるPI（比例・積分）制御では、こうした変動に追随できず、速度応答が鈍く、目標速度を大きく超える「オーバーシュート」や、負荷変動に対する耐性の低さといった課題が指摘されてきた。これらは、ドライビングフィールの劣化や、不必要なエネルギー消費、ひいては航続距離の短縮につながる。
こうした課題を根本から解決する画期的な制御戦略が、中国・瀋陽化工大学の孔（コン）暁光（シャオグァン）准教授と栾（ルアン）兆宇（チャオユー）氏の研究により明らかになった。彼らが『大連工業大学学報』に発表したこの研究は、従来の制御パラダイムを覆す「自己抗擾制御（ADRC）」をIPMSMの速度制御ループに導入することで、モーターの応答性とロバスト性（頑健性）を飛躍的に向上させることを可能にする。このADRC技術に加え、低速域での効率を最大化する「最大トルク・パー・アンペア（MTPA）制御」と、高速域での回転数拡大を実現する「先行角弱め磁界制御」を統合したこの新しいアプローチは、EVの動力性能に新たな地平を開く可能性を秘めている。
従来のPI制御の限界は、その設計思想に根ざしている。PI制御は、モーターの正確な数学モデルに基づいて設計される。しかし、実際のEVのモーターは、走行中に絶えず変化する環境にさらされている。モーターの巻線抵抗は温度上昇とともに変化し、負荷も瞬時に変動する。PI制御器は、あらかじめ設定されたモデルに従ってしか動作できないため、こうした現実の変動に対応できず、性能が低下する。例えば、急激な負荷が加わった場合、PI制御では速度が大きく低下し、それを補正するために過剰な電流が流れ、オーバーシュートを引き起こす。これは、ドライバーにとっては「ぐらつき」や「もたつき」として感じられ、快適性を損ない、エネルギーを無駄に消費する。
これに対して、孔氏らが提案するADRCは、全く異なる哲学に基づく。ADRCは、モーターの内部で起こるあらゆる不確実性（温度変化による抵抗変化など）と、外部からの干渉（負荷変動など）を、まとめて「未知の擾乱（じょうらん）」と捉える。そして、この「擾乱」をリアルタイムで観測し、それを打ち消すような制御信号を加えることで、システム全体を非常に安定したシンプルな構造に変換してしまう。この技術の核となるのが「拡張状態観測器（ESO）」である。ESOは、モーターの速度などの状態量だけでなく、「未知の擾乱」そのものを直接推定することができる。この推定された擾乱は、即座に制御ループにフィードバックされ、打ち消される。その結果、複雑なIPMSMという物理的対象が、あたかも単純な積分器のように予測可能で安定した挙動を示すようになる。
ADRCの構造は、その効果の高さを裏付ける。まず、「追跡微分器（TD）」が、急激な速度指令に対して滑らかな過渡応答を生成し、モーターに過度なストレスを与えないようにする。次に、「拡張状態観測器（ESO）」が、モーターの実際の速度と、推定された「擾乱」を観測する。最後に、「非線形状態誤差フィードバック（NLSEF）」が、TDの出力とESOの観測値の差分を元に、最終的な制御出力を計算する。この設計の最大の利点は、モーターの正確な数学モデルを必要としない点にある。モデルの誤差やパラメータの変動に強い、いわゆる「モデルフリー」な制御であるため、量産品のモーター間でのバラツキや、使用中の劣化に対しても極めてロバストに動作できる。これは、実用性の観点から見ても大きな強みである。
しかし、高性能な速度制御だけでは、EVのモーター性能を完全に最適化することはできない。孔氏らの戦略の真価は、ADRCに加えて、トルク生成効率と速度範囲を最適化する二つの技術を統合している点にある。
第一に、「最大トルク・パー・アンペア（MTPA）制御」である。これは、モーターが一定のトルクを出力する際に、必要な電流を最小限に抑える制御手法だ。IPMSMの特徴として、永久磁石による励磁磁束に加えて、d軸とq軸のインダクタンスの差による「リラクタンストルク」を活用できる点がある。従来の「Id=0制御」では、このリラクタンストルクを無視し、効率が落ちる。MTPA制御は、永久磁石トルクとリラクタンストルクを最適な割合で組み合わせることで、最小の電流で最大のトルクを得られるようにする。電流が小さくなるということは、銅損（I²R損失）が大幅に削減され、モーターの発熱が抑えられ、結果として航続距離が延びる。これは、特に街乗りや中低速域での走行で大きな効果を発揮する。
第二に、「先行角弱め磁界制御」である。モーターは高速回転すると、逆起電圧（Back-EMF）が上昇し、インバーターが供給できる最大電圧に達してしまう。この状態では、それ以上電流を流せなくなり、回転数を上げることができなくなる。この壁を破るための技術が「弱め磁界制御」だ。永久磁石の磁束を、モーター自身の電流で打ち消す（減磁する）ことで、逆起電圧を下げ、再び電流を流して回転数を上げる。しかし、従来の弱め磁界制御は、モーターのインダクタンスなどの精密なパラメータを必要とし、計算が複雑で、パラメータ誤差に弱いという欠点があった。
孔氏らが採用した「先行角法」は、この問題を解決するシンプルで強固な手法だ。この方法では、定子電流ベクトルの位相角を、q軸（交軸）に対して「先行」させる。この角度を意図的に大きくすることで、d軸（直軸）電流（Id）の減磁成分が自動的に増加し、q軸電流（Iq）が減少する。これにより、磁束が弱まり、逆起電圧が低下して高速回転が可能になる。この手法の最大の利点は、複雑な計算や精密なパラメータに依存せず、実際の電圧フィードバックを元に角度を調整するため、実用的でロバスト性が高い点にある。これにより、高速域での安定した運転が可能になる。
孔氏らの研究は、これら三つの先進技術——ADRC、MTPA、先行角弱め磁界——を一つの統合された制御システムに融合させることで、IPMSMの全速度域にわたる最適性能を実現している。低速から中速域ではMTPA制御で最高効率を追求し、高速域では先行角法で回転数を拡大し、その中心でADRCがすべての速度指令と外的擾乱に対して、高速かつ安定した速度制御を提供する。まるで熟練のドライバーが、常に最適なギアとアクセル操作を行うかのような、洗練された制御が可能になる。
この理論の有効性を検証するため、研究チームはMATLAB/Simulinkを用いた詳細なシミュレーションを実施した。シナリオは極めて過酷なものだ。モーターはまず3500rpm（分速回転数）の定格速度に到達。その後、0.15秒の時点で、一気に5500rpmまで速度指令を引き上げ、高速域の弱め磁界領域に突入。さらに、0.3秒の時点で10N・mの負荷トルクを突然加えるという、急加速と急坂を同時に模した条件だ。
その結果は圧倒的だった。ADRC制御下のモーターは、定格速度に素早く到達し、速度指令の変化にもほとんどオーバーシュートなく、スムーズに5500rpmに達した。そして、急激な負荷が加わった際も、速度の低下はわずかで、瞬時に目標速度に復帰した。これは、ADRCの優れた擾乱抑制能力を如実に示している。
対照的に、従来のPI制御を用いたシミュレーションでは、速度指令の変化時に大きなオーバーシュートが発生し、負荷変動に対しては速度が大きく低下し、回復に時間がかかっていた。出力トルクの波形を見ても、ADRCでは変動が小さく安定しているのに対し、PI制御では急激な変動が見られ、システムにストレスがかかっていることがわかる。d軸電流の波形でも、ADRCの方が弱め磁界制御中の変動が小さく、より精密で安定した制御が行われていることが確認された。
これらのシミュレーション結果は、孔氏らの提案する制御戦略が、従来技術をはるかに凌駕する性能を有していることを明確に示している。これは単なる理論上の優位性ではなく、実際のEV走行で直面する過酷な状況下でも、安定した高性能を発揮できる実用的な技術である。ADRCの導入により、EVはよりダイナミックで予測可能なレスポンスを手に入れ、MTPA制御により航続距離が延び、先行角弱め磁界により高速性能が向上する。これは、EVのユーザー体験を根本から向上させる、まさに「心臓の頭脳」を進化させる革新と言えるだろう。
孔暁光、栾兆宇、大連工業大学学報、DOI:10.19670/j.cnki.dlgydxxb.2024.0313