ADRCと改良型PLLを用いたYASA AFFSPMモータの低雑音センサレス制御

より静かで賢い電動モータ

電気自動車から家庭用機器に至るまで、多くの現代機器は小型で高出力の電動モータに依存しています。しかし、これらのモータを精密に制御する電子機器は、特に低速領域で人が最も気にする“キーン”や“ブーン”といった不快な音を発生させることがあります。本稿は、機械的なセンサを用いずに高トルクを発揮する特殊なモータを駆動しつつ、その耳障りな騒音を低減し、応答性・滑らかさ・信頼性を維持する手法を検討します。

センサを無くす意義

多くの高性能モータはエンコーダやリゾルバといった装置で回転子の位置を直接検出します。これらのセンサはコストや配線、故障点を増やし、特に電気自動車のボンネット下のような高温・粉じん・狭小環境では問題になり得ます。代替として注目されるのが“センサレス”制御で、電気信号のみから回転子位置を推定します。本研究対象の高トルクYASA軸流モータでは、従来のセンサレス法は高回転域では良好に機能しますが、低速やゼロ速付近では安定性に欠け、通常は試験的な高周波信号を巻線に注入することで損失増・トルクリップル・可聴雑音を引き起こすことがあります。

一点で叫ぶのではなく、音を広げる

論文で最初に示される改良は、騒音問題を発生源で扱うものです。従来のセンサレス手法は一定の単一高周波トーンを注入することが多く、その特定周波数がモータやハウジングの機械共振を励起してしまいます—ちょうど特定の音でグラスを鳴らすように。著者らは代わりに、狭い帯域内で周波数がホップする疑似ランダムな高周波信号を注入し、振幅を同調して調整します。これによりエネルギーがより広い周波数帯に“拡散”され、単一の大きなピークが生じなくなります。重要なのは、信号が依然として回転子の磁気的指紋を読み取るのに十分強く構造化されており、周波数変化に伴っても有効な位置情報をほぼ一定に保つために振幅と周波数の比率が慎重に選ばれている点です。

モータの応答をより注意深く聞く

これらの高周波の電気的リップルから回転角のクリーンな推定を得るには、コントローラがモータ電流の非常に小さな変化を解読する必要があります。本稿では位相追従に一般的に用いられる標準的なフェーズロックループを改良版に置き換えています。まず入力される電流信号を正規化して全体の振幅に依存しないようにし、位相だけを扱います。さらに高次のループ構造を用い、単一の追従器ではなく二つの協調する追従器のように振る舞います。この設計により、信号の振幅が揺らいだりモータが加速・減速・逆転しても真の回転子位置を正確に追い続けます。試験では、推定位置は広い速度域と突発的な負荷変化に対しておおむね±2〜3電気度以内に収まっていました。

現れる前に撹乱と戦う

二つ目の主要な改良点は、トルクを直接決定する電流制御の方法です。多くの産業用ドライブは定評あるPID（ここでは比例–積分、PI）コントローラに依存しており、特定の動作点に慎重に調整すれば非常に良好に動作しますが、モータが温まったり負荷が変わったり電源が変動したりすると自動適応しません。本研究では、主要なトルク生成用電流チャネルにアクティブ撹乱抑制制御（ADRC）を実装しています。この手法は、パラメータドリフトや突発的負荷変動といった未知の影響を単一の「総撹乱」と見なし、組み込みのオブザーバでそれをリアルタイムに推定します。コントローラはその撹乱をほぼ出現と同時に打ち消し、電流（したがってトルク）を目標値に近く保ちつつ、簡便な調整で高い頑健性を実現します。

システムの実地試験

疑似ランダム注入、改良型PLL、撹乱抑制電流コントローラの三案は統合され、実際の750ワットYASAモータ装置で試験されました。固定周波数注入、PI電流制御、標準PLLを用いた十分にチューニングされた従来構成と比較して、新手法は負荷が突然2倍になった際の速度低下が小さく回復が速く、急な速度反転時の追従性が向上し、全体として位置推定がより緊密でした。モータの高周波信号のパワースペクトル測定では、従来法の鋭いノイズピークがより平坦なスペクトルに置き換わっており、特定周波数の音（トーン）雑音の明確な低減と整合していました。

日常機器にとっての意味

専門外の読者にとっての要点は、本研究が特定クラスの高トルク電動モータを、回転子位置の「感じ取り方」と撹乱への反応を改善することで、より静かで堅牢にできることを示した点です。追加のハードウェアセンサに頼ることや静音性と応答性のトレードオフを受け入れるのではなく、より賢い信号設計と制御アルゴリズムで両方を達成します。その結果、快適性、信頼性、効率性が求められる電気自動車や精密ロボットなどの用途に向けた、より滑らかで低ノイズなセンサレスドライブへの有望な道筋が示されました。

引用: Rahmani-Fard, J., Mohammed, M.J. Low noise sensorless control of a YASA AFFSPM motor using ADRC and improved PLL. Sci Rep 16, 8236 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39335-4

キーワード: センサレスモータ制御, 電気自動車用ドライブ, 軸流型永久磁石モータ, 音響雑音低減, 高度なモータ制御アルゴリズム