モータ制御のconstant power control(定電力制御)とは?電流制御との違いは？

「Constant Power Control」は、モータードライブの一部の運転範囲、特に高速領域で使用される制御戦略を指すことが多いです。モーターのトルクと速度の関係を考えると、モーターの出力の積（トルク × 速度）は電力となります。一定の電力制御は、モーターの運転が一定の電力出力を維持するように制御されることを意味します。

1 「Constant Power Control」とは？
2 「Constant Power Control」の具体的な制御方法
3 電流制御と何が違うのか
4 Constant Power Controlをトルクと回転速度の関係をグラフにすると？
5 一般的な定電力制御の制御仕様書の概要
6 定電力制御の制御仕様のフローチャート手順
7 電力の偏差はどうやって求めればいいか
8 「電力が指定範囲内か？」の判定方法
9 モータの定電力制御を回転数と電流を使って制御する方法
10 モータの電圧とは

「Constant Power Control」とは？

具体的には：

低速から中速領域: この領域では、モータは最大トルクを維持できます。したがって、速度が上昇すると、電力（トルク × 速度）も増加します。
中速から高速領域: モータの電力は一定に保たれるため、速度が上昇するにつれてトルクは減少します。この領域を「定電力領域」とも呼びます。

「Constant Power Control」は、特に電気車両などのアプリケーションで、高速での運転時にエネルギー効率を最適化するために使用されることが多いです。

「Constant Power Control」と「電流制御」は、異なる制御のコンセプトを指します。電流制御は、モーターの電流を制御し、これによってモーターのトルクを制御します。一方、一定の電力制御は、モーターの出力電力を一定に保つための制御戦略を指します。しかし、実際の制御システムの実装においては、これらの戦略が組み合わされることが多いです。

「Constant Power Control」の具体的な制御方法

「Constant Power Control」（CPC）は、モータの運転が高速領域に入ったときに一定の電力出力を維持するための制御戦略です。この制御戦略を実装するには、以下の要素を考慮する必要があります。

センシング要素:
- 速度センサー: モータの速度（または回転数）を監視するためのセンサー。
- 電流センサー: モータの電流を測定するためのセンサー。これはトルクの推定にも使用されます。
- オプションで、トルクセンサーや電圧センサーも使用されることがあります。
制御戦略:
- モータの出力電力はトルクと速度の積として計算されるため、 $P = τ \times ω$ （ここで、Pは電力、τはトルク、ωは角速度）。
- 制御目的は、Pを一定の値に保つことです。
- 高速領域でPを一定に保つためには、速度ωが増加するにつれてトルクτを減少させる必要があります。
具体的な制御手順:
- 速度センサーからのフィードバックを使用して、現在のモータ速度を確認します。
- 速度が所定の閾値（中速から高速領域の境界）を超えた場合、CPCモードをアクティベートします。
- CPCモードがアクティベートされた場合、目標電力値に基づいて目標トルク値を算出します。このとき、目標トルクは
- $τ_{t a r g e t} = P ^{t a r g e t /} ω ^{c u rre n t}$
- として計算されることが多いです。
- 電流制御ループを使用して、算出された目標トルクに対応する電流値にモータ電流を調整します。
注意点:
- 一定の電力制御は、モータの物理的な限界やドライブの能力に応じて、上限速度や最大電流などの制約を考慮しながら適用する必要があります。

このような制御戦略は、特にEV（電気車両）のようなアプリケーションで、広範囲の速度で効率的な運転を実現するために役立ちます。

電流制御と何が違うのか

「Constant Power Control」（CPC）と「電流制御」は、異なる目的を持つ制御戦略ですが、どちらもモーター制御の文脈で使われます。以下にそれぞれの制御戦略の特性と違いを詳述します。

電流制御

目的: モーターの電流を所定の目標値に追従させること。モータの電流は直接的にトルクと関連しているため、この制御はしばしばトルク制御としても参照されます。
センシング: 電流センサー（ホール効果センサーやシャント抵抗など）を使用して、モーターの電流を直接測定します。
制御アルゴリズム: PI（Proportional-Integral）制御器や他のフィードバック制御アルゴリズムを使用して、測定された電流と目標電流との差（エラー）を最小化します。

Constant Power Control (CPC)

目的: モータの出力電力を一定に保ちます。これは特にモータの高速運転領域で重要です。
センシング: 速度センサーと電流センサーを使用します。速度と電流の積を取ることで、出力電力を算出します。
制御アルゴリズム: 電力を一定に保つために、速度が増加すると、トルク（または電流）を逆に減少させる必要があります。この制御アルゴリズムは、目標電力値を維持するために、電流制御ループを含む可能性があります。

違いの要約:

目的: 電流制御はトルクを制御するのが主目的であり、CPCはモータの出力電力を一定に保つことが目的です。
使用されるセンサ: 電流制御は主に電流センサーに依存していますが、CPCは速度センサーと電流センサーの両方が必要です。
適用範囲: 電流制御はモータの全運転範囲で使用される一方、CPCは特にモータの高速運転領域での運転を最適化するために使用されます。

これらの違いを理解することで、特定のアプリケーションや要件に適した制御戦略を選択する際の判断基準として活用できます。

Constant Power Controlをトルクと回転速度の関係をグラフにすると？

Constant Power Control (CPC)をトルクと回転速度の関係でグラフに描画すると、次のような特性が現れます。

低速から中速領域: ここでは、モータは最大トルクを提供できる領域となります。このため、トルクは一定の値（最大トルク）で、回転速度が増加するにつれて上昇します。グラフ上では、この領域は水平な線として表されます。
中速から高速領域: ここでの目的は電力（トルクと回転速度の積）を一定に保つことです。したがって、回転速度が増加するにつれて、トルクは逆に減少します。グラフ上では、この領域は右上から左下へと斜めに下降する線として表されます。具体的には、線の傾きが-1の直線（y = -xの形、ただし、単位やスケールに応じて適切に変化）として表示されることが多いです。
最高速度領域: いずれのモータも物理的な最高速度制限があります。この速度を超えることはできません。

グラフにプロットすると以下のようになります：

X軸: 回転速度（rpmなどの単位）
Y軸: トルク（Nmなどの単位）

Y軸上の高い位置からスタートする水平な線が最大トルクを示します。
この水平線の終点から、斜め下向きに線が引かれ、これがConstant Power領域を示します。
この斜めの線はモータの最高速度で終了します。

このグラフは、「トルク-速度曲線」として知られ、モータの性能や制御戦略を理解するための重要なツールとなっています。

一般的な定電力制御の制御仕様書の概要

指定電力を維持するためのモータの制御に関する仕様を詳しく記述します。この制御仕様は、モータの電力を指定値に近づけるための要件とアプローチを示すものです。

定電力制御の詳細仕様

目的
- この制御仕様は、モータに供給される電力を一定に保つための要件と方法を定義する。
基本要件
- 入力電源の変動、負荷の変動、およびその他の外部の干渉に対して、モータの供給電力は±5%の範囲内で指定値を維持する。
制御アプローチ
- センサー入力: 電流センサーおよび電圧センサーを使用して、モータの実際の電力を計測する。
- 制御アルゴリズム: PID制御アルゴリズムを使用して、電力の偏差を最小化する。PIDの各パラメータ（P, I, D）は実験的に調整する。
エラー処理
- 電力が指定値から±10%以上逸脱した場合は、アラームまたは警告を生成し、必要に応じてモータを停止する。
制御更新頻度
- 制御ループの更新頻度は、システムの応答時間やモータの特性に応じて、例えば1kHzなど、適切に設定する。
フィードバックメカニズム
- モータの電力が指定範囲外になった場合、制御アルゴリズムは電源供給を調整して指定電力に戻す。
保護機構
- 短絡、過電流、過熱などの異常状態が検出された場合、モータを即座に停止し、システムを安全な状態にする。

定電力制御の制御仕様のフローチャート手順

開始ブロック: フローチャートの最初に「開始」と記述された四角形のブロックを描く。
センサー入力: モータの実際の電力を計測する部分を示すための四角形のブロックを追加し、「電流と電圧の計測」と記述。
制御アルゴリズム: 電力の偏差を最小化するための制御アルゴリズムの部分を示すブロックを追加し、「PID制御アルゴリズムの適用」と記述。
エラーチェック: 電力が指定値から逸脱しているかどうかを判断する部分を示すダイヤモンド形のブロックを追加し、「電力が指定範囲内か？」と記述。
エラー発生時の処理: エラーチェックのダイヤモンド形のブロックから「NO」の分岐として、「アラーム/警告」と記述されたブロックを追加。
フィードバックメカニズム: エラーチェックのダイヤモンド形のブロックから「YES」の分岐として、電力の偏差を修正する部分を示すブロックを追加し、「電源供給の調整」と記述。
終了ブロック: フローチャートの最後に「終了」と記述された四角形のブロックを追加。

電力の偏差はどうやって求めればいいか

電力の偏差を求めるためには、目標電力と実測電力の差を計算します。以下はその手順です：

目標電力の定義:
- システムやモータを制御する際の目標として定義される電力を $P_{目標}$ とします。
実測電力の計算:
- 電流と電圧のセンサーから取得したデータを使用して、実際にモータやシステムが消費している電力を計算します。
- 電力 $P$ は、電圧 $V$ と電流 $I$ の積として計算されます： $P_{実測} = V \times I$
電力の偏差の計算:
- 目標電力と実測電力の差を計算して、電力の偏差を求めます： $Δ P = P_{目標} - P_{実測}$

この電力の偏差 $Δ P$ は、PID制御アルゴリズムや他の制御戦略を用いて修正動作の指示として使われます。たとえば、電力の偏差が正であれば、電力を増加させるためのアクションが取られ、偏差が負であれば、電力を減少させるためのアクションが取られます。

「電力が指定範囲内か？」の判定方法

「電力が指定範囲内か？」という判定は、通常、目標電力からの許容偏差範囲として定義される上限と下限を使用して行います。

判定方法:

許容範囲を定義します。これは目標電力からの許容偏差で、上限と下限の値として示されます。
実測電力がこの範囲内にあるかどうかを判断します。

判定の式:

目標電力を $P_{目標}$ 、許容偏差を $δ$ 、実測電力を $P_{実測}$ とした場合、次の式を用いて判定します。

$P_{目標} - δ \leq P_{実測} \leq P_{目標} + δ$

もし実測電力がこの範囲内にあれば、電力は指定範囲内にあります。

#include <stdio.h>
// 電力の指定範囲内判定関数
int isPowerInRange(double targetPower, double measuredPower, double allowableDeviation) {
if ((targetPower – allowableDeviation) <= measuredPower && measuredPower <= (targetPower + allowableDeviation)) {
return 1; // 範囲内
}
return 0; // 範囲外
}
int main() {
double P_target = 100.0; // 目標電力 (例: 100W)
double P_measured = 102.5; // 測定電力 (例: 102.5W)
double delta = 5.0; // 許容偏差 (例: ±5W)
if (isPowerInRange(P_target, P_measured, delta)) {
printf(“電力は指定範囲内にあります。\n”);
} else {
printf(“電力は指定範囲外です。\n”);
}
return 0;
}

モータの定電力制御を回転数と電流を使って制御する方法

モータの定電力制御とは、モータが消費する電力を一定に保つための制御方法です。電力 $P$ は、電圧 $V$ と電流 $I$ の積で表されます。モータの場合、電流とトルク、回転数と電圧は関連していますので、これらの情報を用いて電力を一定に保つ制御を行います。

以下、定電力制御の基本的な手順を説明します：

目標電力の設定:
- 制御したい電力値 $P_{t a r g e t}$ を設定します。
電流と回転数の計測:
- 電流センサーと回転数センサー（またはエンコーダ）を使用して、モータの電流 $I$ と回転数 $N$ を連続的に計測します。
電力の計算:
- 計測された電流とモータの電圧（この電圧は回転数と関連しています）を使用して、現在の電力 $P_{c u rre n t} = V \times I$ を計算します。
制御アルゴリズムの実行:
- $P_{c u rre n t}$ と $P_{t a r g e t}$ の差を計算して、フィードバック制御の入力として利用します。
- PID制御などのアルゴリズムを使用して、電力の偏差を補正します。この制御により、電流やモータの電圧（すなわちモータの速度）を調整し、電力を一定に保ちます。
制御アクションの実施:
- 制御アルゴリズムからの出力に基づき、モータドライバに指令を送り、モータの電圧や電流を調整します。