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DTC:オールシーズンで使えるモーター制御技術

可変速駆動装置（VSD）は、モータの速度とトルクを駆動負荷の要件に適合させることにより、電気モータの前例のない性能を実現し、劇的なエネルギー節約を実現しました。市場のほとんどのVSDは、モータへの電圧と周波数の入力を調整する変調器に依存していますが、制御信号の処理に固有の時間遅延が発生します。これに対し、ABBのプレミアムドライブは革新的なダイレクトトルクコントロール（DTC）を採用し、モータのトルク応答性を大幅に向上させています。DTC技術には、システムレベルの機能まで含めた他の利点もあります。

ABBの高性能ACドライブには、ダイレクトトルクコントロール（DTC）と呼ばれる革新的な技術が搭載されています。その名が示すように、この方式ではACベクトルドライブやDCドライブのように間接的にモータ電流を制御しようとするのではなく、モータの磁束とトルクを直接的に制御します。これは、被駆動システムの負荷要件にマッチした精度の高い制御を意味する。ABBの創業企業の1社によって考案され、1980年代半ばに特許を取得したDTCは、余分な変調器ステージを必要としないため、理論上の最大値に近い制御ダイナミクスを達成することができます。

1995年にABBが最初のダイレクトトルクコントロールACドライブを市場に導入したとき、DTCはすでに先進技術でした。その後、プロセッサの演算能力、アプリケーション・プログラミング、通信インターフェースの改善により、DTCの性能は絶えず向上し、幅広いアプリケーションに優れたモーター制御を提供しています。

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DTCを使う理由
誘導電動機の先にあるもの
最近のパフォーマンス検証
DTCの今日と明日

DTCは、優れたトルク応答性以外にも、以下のような顧客メリットを提供します。

  • 95%のアプリケーションで、モーターの速度や位置のフィードバックが不要です。そのため、高価なエンコーダやその他のフィードバック装置の取り付けを回避することができます。
  • 永久磁石モーターや新しいシンクロナスリラクタンスモーターなど、さまざまなタイプのモーターでDTC制御を利用できます。
  • 低速域まで正確なトルクと速度制御が可能であり、ゼロ速度まで完全な起動トルクが得られます。
  • 優れたトルクリニアリティを実現。
  • 高い静的・動的速度精度
  • スイッチング周波数のプリセットがありません。制御サイクルごとに最適なトランジスタのスイッチングを決定し、駆動負荷の要件に容易に対応できます。

DTCはもともとACインダクションモータ用に開発されたもので、多くの産業・商業用途に使用されています。誘導電動機のDTC性能の指標は、モータの電気的時定数の限界に近いトルク応答時間（100％トルク基準ステップ）です。同じ参照コマンドの下でのトルクの再現性の不確かさは、通常、ドライブの速度範囲全体で公称トルクの1%程度と低くなっています。

より高い電力密度への要求と国際的な効率規制の進化により、他のモータトポロジへの関心が高まっています。DTCは永久磁石（PM）同期モータと新しいシンクロナスリラクタンス（SynRM）モータに対応するよう拡張されたことは、良いニュースです。DTCの主な違いはモータの始動時に発生しますが、ABBのドライブはこれに対応しています。PM同期モータとSynRMモータでは、ロータ巻線とスリップ速度がないため、誘導モータに比べてより広いトルク速度範囲で効率向上が図れます。

これらのモータの高いトルク/サイズ比は、よりシンプルなドライブトレイン設計を可能にする場合があります。例えば、低速のPMモータを直接駆動することで、パッケージングマシンのギアボックスが不要になる可能性があります。PMモータの欠点は、いわゆるレア・アースマグネットに依存することです。SynRMモーターは永久磁石を使用しないため、この問題を解決することができます。

2012年半ば、ABBはDTC技術に加えられた継続的な改善により、同社のACドライブが最高の性能を維持できていることを確認するため、一連の測定を実施しました。以下は、その重要な結果です。

ゼロ速度付近でのトルク安定性

ABBのACS800と新しいACS880産業用ドライブを、センサレス（オープンループ）動作モードでのトルク制御精度を比較しました。各ドライブは、15 kWの4極誘導モータを定格トルク基準で運転し、負荷機械はゼロ速度付近でゆっくりと速度反転するように制御しました。

両ドライブともゼロ速度に近い領域で長時間動作する顕著なセンサレス制御能力を示していますが、新型ACS880はトルク基準からの偏差が少ないため、より優れたモータ制御性能を提供することができます。

ランプ動作時のトルク精度

4極誘導電動機と15kWのシンクロナスリラクタンスモータ（定格回転数の50%）を用いて、ACS880ドライブのセンサレストルク制御精度を比較しました。その結果、両モータともトルク誤差は定格トルクの数パーセントにとどまりました。

最大トルクの誤差は誘導電動機よりもシンクロナスリラクタンスモータで若干小さくなっています。

サーボクラスのダイナミック性能を実現

1.5 Nm、6,000 rpmのPM同期モータの速度と角度位置を、±6,000 rpm間の速度反転時に25ミリ秒（ms）未満で測定した。これはモータの機械的時定数である24msと理論上の限界に非常に近い値である。

ACS880はサーボドライブではありませんが、DTCにより、クローズドループ制御とセンサーレス制御の両モードで高速かつ正確なモーター加速が可能になりました。測定された加速時間をモータの機械的時定数と比較することで、超高速加速時のトルク精度の1つの指標を得ることができます。

DTCは、その誕生以来、要求の厳しいハイダイナミック・アプリケーションに対応できるよう、改良を重ねてきました。ソフトウェアの改良と高出力マイクロプロセッサの共通化により、DTCドライブは経済的に正当化され、より広く導入されるようになりました。圧力、張力、位置などのプロセス変数の変化に対して、卓越した速度およびトルク制御のダイナミクスを使用して迅速に対応する能力により、DTCはより多くの産業にとって魅力的なものとなっています。

さらに、ACドライブは、多くの可変速ポンプ/ファンアプリケーションで劇的な省エネの可能性を提供します。ポンプ速度対電力は3乗の関係にあるため、ポンプを50%の速度で動作させるプロセスシーケンスでは、全電力のわずか1/8しか使用しないことになります。

直接トルク制御は、30年近い寿命の間、ハードウェアとソフトウェアの連続的な開発を見せてきました。確固たる理論的基礎とDSP技術に基づき、DTCは初期のプロセッサの制限を克服してきました。強力なプロセッサは現在、複雑な制御アルゴリズムを迅速に実行し、モータ・モデルのパラメータを更新し、最適なパフォーマンスを得るためにドライブのトランジスタを切り替えます。

ダイレクトトルク制御の開発には、ABBが誇るドライブエンジニアリングの伝統と膨大なリソースが投入されています。今日、DTCは生きた技術であり続けています。DTCは、インテリジェントなユーザーインターフェース、ドライブ診断機能、システムレベルのソフトウェアを組み込むことによって、「トルク制御」よりも大きなブランドへと成長しました。

今後、ABBはその永続的なDTC技術で同じ道を歩むつもりである。ABBドライブのお客様は、現在投資しているダイレクトトルク制御の利点が長期にわたって継続することを確信することができます。

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