[論文レビュー] Model-Free Based Digital Control for Magnetic Measurements

Loïc Michel, Olivier Ghibaudo+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Magnetic Properties and Applications参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、エプスタインフレームを用いた磁性材料の特性評価のためのモデルフリーなデジタル制御戦略を提示する。この戦略により、材料の非線形性やヒステリシスがあっても、磁束密度Bの波形を高精度で整形できる。導出を伴わないモデルフリー制御の変種を用いることで、10–50 Hzの周波数範囲で正弦波および方形波のリファレンスに対して1%未満のフォームファクター（FF）を達成し、飽和付近ですら高調波歪みを顕著に低減する。

ABSTRACT

This paper presents a novel digital control strategy successfully implemented for a soft magnetic material characterization bench (Epstein frame type). The main objective is to control the magnetic induction waveform whatever the applied excitation and the material under study. Given the nonlinear nature of the magnetization curves of magnetic materials, an original model-free based control technique is considered. Special mention should be made of the interesting dynamic properties in closed-loop against the changes of the operating point related basically to the hysteresis form. The operation and the performances of the digital control method are illustrated in different working conditions through both simulation and experimental measurements.

研究の動機と目的

• ソフト磁性材料の特性評価において、非線形的かつヒステリックな材料挙動下でも、正確な磁束密度波形（例：正弦波、三角波）を維持する課題に対処すること。
• 非線形性や電源供給の歪みが波形忠実度を劣化させる高磁束密度領域において、従来のアナログフィードバックやモデルベース制御の限界を克服すること。
• 磁性材料やエプスタインフレームのダイナミクスの明示的モデルを必要としない、耐障害性の高いリアルタイムデジタル制御手法を開発すること。
• さまざまな励起周波数および材料状態（飽和付近を含む）において、IEC規格（FF < 1%）を満たすことを保証すること。
• コアへの直流バイアスや不要な磁化を防ぐために、励起電流の対称性を確保し、測定精度を向上させること。

提案手法

• フィエスとジオンのアプローチに基づくモデルフリー制御フレームワークを採用し、システムモデルへの依存や出力信号の微分推定を回避する。
• 出力信号のフィードバックに基づき、二次コイル電圧$v_B$を用いてリアルタイムで入力電圧波形を調整する再帰的制御アルゴリズムを実装する。$B(t)$の推定には$v_B$の積分を用いる。
• フィードバックループにおけるノイズ感度を低減し、耐障害性を向上させるために、モデルフリー制御の導出を伴わない変種を採用する。
• 励起電流$i_H$のバランスを保つために、制御信号に対称化技術を適用し、コアのバイアスを引き起こす直流成分を排除する。
• デジタル信号処理を用いて、$v_B$のRMS値と整流平均値を用いてリアルタイムでフォームファクター$FF(\%)$を計算し、動的性能監視を可能にする。
• 非方向性SiFe鋼板を用いた10 Hzおよび50 Hzでのシミュレーションおよび実験的測定を通じて、正弦波および方形波リファレンスに対する制御戦略の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデルフリーなデジタル制御戦略は、さまざまな励起周波数および材料の非線形性の下でも、磁束密度波形の高調波歪みを効果的に低減できるか？
• RQ2 提案された導出を伴わないモデルフリー制御は、従来のアナログ制御やモデルベースフィードバックと比較して、飽和付近での動的性能および安定性においてどのように優れているか？
• RQ3 この制御手法は、コアの非線形性および電源供給の制限による電圧降下や波形歪みをどの程度抑制できるか？
• RQ4 制御器は励起電流の波形対称性を維持し、直流バイアスを除去できるか。これにより、正確なヒステリシスループ測定が可能になるか？
• RQ5 提案されたデジタル制御を用いることで、オープンループ操作と比較して、フォームファクター（FF）はどの程度向上するか？

主な発見

• 提案されたデジタル制御により、磁束密度波形のフォームファクター（FF）はオープンループ時の6.1%から10 Hzで0.53%に低下し、IEC規格を満たす。
• 50 Hzでも、対称化処理を施すことでFFは0.7%に低下し、高周波励起下でも効果的な高調波抑制が実証された。
• 制御器は二次コイルの電圧降下を効果的に補償し、非線形コア挙動があっても安定かつ正確な$v_B$波形を維持した。
• 正弦波および方形波のリファレンス入力の両方において、飽和付近でも準正弦波および準三角波の$B$波形を維持した。
• 対称化技術により、励起電流に直流成分が完全に除去され、コアのバイアスが防止され、正確なヒステリシスループ測定が可能になった。
• 材料の磁気モデルを事前に知らなくても、高磁束密度領域を含むさまざまな動作点で、優れた動的性能を示した。