フィールド指向制御（FOC）：滑らかで効率的なEVモータ性能の鍵

高性能電気自動車（EV）モータには、滑らかさ、信頼性、効率を保証する制御戦略が求められます。フィールド指向制御（FOC）は業界標準のソリューションであり、広い速度範囲で精密なトルクと磁束制御を可能にします。

EVがシームレスに加速し、惰行するためには、コントローラがトルクと磁束を管理し、モータが低速で最大トルクを発揮しながら最適な効率を維持できる必要があります。これには、正確なローター位置情報に基づく精密な電流制御が必要です。

回転機械では、ステータが交流で巻線を励磁することで磁場を生成します。滑らかな動作の秘訣は、ローターの角度をステータの磁軸に対して知ることにあります。この角度がわかれば、ステータ電流をローターのトルク軸に合わせ、ステータ磁束がローター磁束に対して垂直になるように保つことで、最高効率が得られます。

FOCベースのモータ制御

典型的なFOCシステムは、図1のようにハードウェアとソフトウェアコンポーネントを組み合わせ、永久磁石同期モータ（PMSM）またはブラシレスDC（BLDC）モータを駆動します。

クリックで全体画像

図1：FOCベースモータ制御システムのハードウェアとソフトウェアコンポーネント。出典：Texas Instruments

主要コンポーネントを分解してみましょう：

1. 三相インバータ：DCをモータ用三相AC電圧に変換。Space Vector Modulation（SVM）ブロックからのPWM信号で駆動。
2. QEPインターフェース：エンコーダからローター位置を読み取り、下流ブロックに供給。
3. 速度/位置推定：ローター速度と位置を計算し、生のエンコーダデータを精緻化。
4. PIDコントローラ：トルクフィードバックを用いてモータの電気トルクを調整し、制御ループをクローズ。
5. Clarke変換：三相ステータ電流（Ia、Ib）を二軸固定座標系（iα、iβ）に変換。
6. Park変換 & 逆Park変換：固定（α-β）と回転（d-q）座標系間をマッピングし、トルク生成成分（Id）と磁束生成成分（Iq）を分離。
7. Space Vector Modulation：インバータを駆動するPWM信号を生成し、目標ステータ電圧ベクトルを離散トランジスタ状態に変換。

FOCワークフロー

三相モータを制御するには、コントローラが正しい電圧ベクトルを供給する必要があります。これは相電流（Ia、Ib、Ic）を測定することで達成されます。電流制御なしでは、ステータ磁束ベクトルをローター磁束ベクトルに対して90°に配置できません。

FOCは正弦波相電流をd-q成分に変換し、それぞれを独立して制御可能にします。プロセスはエンコーダ（またはホールセンサ）がローター位置をPark変換に供給することから始まります。一方、Clarke変換でIaとIbをiαとiβに変換し、Park変換でDC成分のIdとIqに変換。PIDコントローラがドライバーのスロットル入力から導かれる目標トルクと実トルクを比較し、電圧指令VdとVqを生成。これらの電圧は逆Park変換と逆Clarke変換を経てα-β固定座標系に戻り、SVMがインバータ用PWM信号を生成します。

クリックで全体画像

図2：PIDから逆変換を経てSVMへの信号フロー。出典：Texas Instruments

最終ステップで、SVMは目標ステータ電圧に対応する平均電圧ベクトルを計算。8つの離散スイッチング状態（2³）から選択し、これらは六角形スターダイアグラムにマッピングされます。隣接ベクトルはそれぞれ60°間隔で、精密な電圧合成を可能にします。

実EVでのFOC

FOCは、滑らかで静かな動作と高効率を要求する現代のEVに不可欠です。OEMはベースアルゴリズムをカスタマイズすることが多く、推定パラメータの調整、センサレス技術の追加、高度なトルクコントローラチューニングの統合などで特定の性能目標を達成します。最近の車載グレードマイクロコントローラ（Microchip PIC18Fxx39シリーズ、TI C2000ファミリなど）は、堅牢なFOCをコスト効率よく実装するために必要な演算能力と統合ペリフェラルを提供します。

>> この記事は姉妹サイトEDNで最初に公開されました。

---

Vaibhav Anand氏はEmbitelのデジタルマーケティングエグゼクティブ。
Saurabh S. Khobe氏はEmbitelの組み込みエンジニア。

---

関連コンテンツ：

• 決定論的マルチ軸モータ制御設計課題の解決
• EVトラクションインバータの安全な制御
• 電気自動車電源管理を強化する新たなソリューション
• E/E開発要件の特定
• Arm Cortex-M0コアを統合したモータコントローラ

Embeddedの週刊メールニュースレターを購読して、さらに多くの情報を入手してください。