同志社大学 理工学部

電気回路研究室

Laboratory for Electric Circuits and Systems, Doshisha Universitysince 1949

研究テーマRESEARCH THEMES Research Themes

電気回路研究室では、半導体スイッチを用いた電力変換技術「パワーエレクトロニクス」を核とし、理論解析と実機検証の両面から次世代のエネルギー社会を支える技術を追求しています。

At the Laboratory for Electric Circuits and Systems, we focus on "Power Electronics"—a power conversion technology using semiconductor switches. We pursue technologies that support the next-generation energy society through both theoretical analysis and experimental verification.

01

省エネルギーモータ駆動Energy-Saving Motor Drive Energy-Saving Motor Drive

損失最小化制御による高効率駆動

High-Efficiency Drive via Loss Minimization Control

モータを駆動する際には、電流によって発生する銅損、摩擦などによる機械損、さらにパワーエレクトロニクス回路に起因するインバータ損など、さまざまなエネルギー損失が生じます。これらの損失は運転速度やトルク条件によって変化するため、単純に一定速度で運転するだけでは効率的とは限りません。

そこで本研究では、モータの損失マップを活用し、駆動開始から停止までの“全体の駆動時間”を通して総エネルギー損失が最小となるような速度軌道を設計します。速度軌道の最適化には、理論的に最適解を導く変分法と、遺伝的アルゴリズムを主に用いています。

さらに、MATLAB/Simulinkによるシミュレーションによる解析だけでなく、実機(同期電動機・誘導電動機)を用いた検証を行うことで、理論の有効性を多角的に評価しています。

In motor drive systems, various energy losses occur, such as copper loss generated by current, mechanical loss due to friction, and inverter loss stemming from power electronic circuits. Since these losses vary depending on the operating speed and torque conditions, driving at a constant speed is not always the most efficient approach.

In this research, we utilize motor loss maps to design speed trajectories that minimize the total energy loss across the entire drive duration—from start to stop. To optimize these trajectories, we primarily employ two approaches: the Variational Method for deriving theoretical optimal solutions, and Genetic Algorithms (GA) for computational optimization.

Furthermore, we evaluate the validity of our theories through a multi-faceted approach, moving beyond MATLAB/Simulink simulations to include experimental verification using actual machines (synchronous and induction motors).

モータドライブ制御省エネルギー変分法遺伝的アルゴリズム
Motor Drive ControlEnergy SavingVariational MethodGenetic Algorithm
実機実験Experimental Setup
制御システムControl System制御システムControl System
シミュレーション解析Simulation
02

高機能モータ駆動High-Performance Motor Drive High-Performance Motor Drive

高度なトルク制御と安全性向上

Advanced Torque Control and Safety Enhancement

電動車両は内燃機関(エンジン)車両と比較してトルク応答が数百倍速く、トルクの大きさも正確に把握できるといった利点があります。本研究ではこの特性を最大限に活かし、路面凍結時などにおけるトラクションコントロールの研究に取り組んでいます。

本研究の目的は、路面状態に応じてモータのトルクを適切に制御し、タイヤの過度なスリップを防ぐことで、電動車両の安全性と走行性能を向上させることです。

具体的には、スリップ率路面摩擦係数を高精度に推定し、路面状況の変化をミリ秒単位でトルク制御に反映させるアルゴリズムを開発しています。また、MATLAB/Simulinkを用いたシミュレーション解析に加え、小型の電動模擬車両を用いた実機実験を行うことで、提案手法の有効性を多角的に検証しています。

Electric vehicles (EVs) offer significant advantages over internal combustion engine (ICE) vehicles, including a torque response that is hundreds of times faster and the ability to accurately monitor torque magnitude. Our research leverages these characteristics to develop advanced traction control systems for challenging conditions, such as icy roads.

The objective of this research is to enhance both the safety and driving performance of electric vehicles by appropriately controlling motor torque according to road conditions, thereby preventing excessive tire slip.

Specifically, we are developing algorithms to estimate slip ratios and road friction coefficients with high precision, allowing road surface changes to be reflected in torque control within milliseconds. In addition to MATLAB/Simulink simulation analysis, we conduct experimental testing using small-scale electric vehicle prototypes to verify the effectiveness of our proposed methods from multiple perspectives.

トラクションコントロールスリップ制御トルク制御
Traction ControlSlip ControlTorque Control
実機実験Experimental Setup
制御システムControl System制御システムControl System
シミュレーション解析Simulation
03

系統連系Grid Connection Systems Grid Connection Systems

再生可能エネルギーの安定供給

Stable Supply of Renewable Energy

太陽光発電や蓄電池などの「直流」の電源から得られる電力を、家庭や工場で使う「交流」の電力網(系統)へ供給するためには、系統連系インバータによる高精度な電力変換が不可欠です。しかし、系統側のインピーダンスとの相互作用によりインバータの動作が不安定となり、安定した電力供給が難しくなる場合があります。

そこで本研究では、スマートグリッドの実現に向け、単なる変換効率の向上にとどまらず、電力網全体の安定性維持するための制御手法を開発しています。具体的には、LCLフィルタのパラメータ不平衡に起因する出力電流の歪みを解消する「逆相補償制御」や、系統との相互作用(干渉)がある条件下でもシステムの安定性を保証する「リアプノフ関数を用いた制御」などを提案しています。

さらに、MATLABSaberRDを用いたシミュレーション解析に加え、実際のインバータ回路と模擬系統を用いた実機実験を行うことで、提案手法の有効性を多角的に検証し、次世代の強靭な電力インフラを支えるパワーエレクトロニクス技術を追求しています。

Supplying power from "DC" sources, such as solar power and storage batteries, to the "AC" power grid (utility grid) used in homes and factories requires high-precision power conversion via grid-connected inverters. However, interactions with grid-side impedance can cause inverter operation to become unstable, making a steady power supply difficult to maintain.

Toward the realization of Smart Grids, our research focuses not only on improving conversion efficiency but also on developing control methods to maintain the stability of the entire power network. Specifically, we propose "Negative-Sequence Compensation Control" to eliminate output current distortion caused by parameter imbalances in LCL filters, as well as "Control using Lyapunov Functions" to guarantee system stability even under conditions with grid interference.

In addition to simulation analysis using MATLAB and SaberRD, we conduct experiments using actual inverter circuits and simulated power grids. Through these multi-faceted evaluations, we pursue the power electronics technology necessary to support the resilient power infrastructure of the next generation.

スマートグリッド系統連系インバータ安定性解析
Smart GridGrid-Connected InverterStability Analysis
実機実験Experimental Setup
制御システムControl System制御システムControl System
シミュレーション解析Simulationシミュレーション解析Simulation
LABORATORY KEYWORDS

キーワード解説Key Vocabulary Key Vocabulary

パワーエレクトロニクス
Power Electronics
半導体スイッチを用いて電力を効率よく変換・制御する技術です。現代の電気製品やインフラの心臓部といえる分野です。
A technology that efficiently converts and controls electric power using semiconductor switches. It is a field that can be considered the heart of modern electrical appliances and infrastructure.
スマートグリッド
Smart Grid
IT技術を駆使し、電力の供給と需要をリアルタイムで最適化する次世代電力網です。再エネ導入に不可欠なインフラです。
A next-generation power grid that utilizes IT to optimize power supply and demand in real-time. It is an essential infrastructure for the integration of renewable energy.
モータドライブ
Motor Drive
電気エネルギーを機械的な動力へ変換するシステム全体を指します。産業機器から電気自動車まで幅広く利用されます。
Refers to the entire system that converts electrical energy into mechanical power. It is widely used in everything from industrial equipment to electric vehicles.
インバータ(逆変換)
Inverter
直流(DC)を交流(AC)に変換する装置です。太陽光発電の系統連系や、モータの速度・トルク制御に必須の回路です。
A device that converts direct current (DC) to alternating current (AC). It is an essential circuit for grid connections in solar power generation and for controlling motor speed and torque.
コンバータ(順変換)
Converter
交流(AC)を直流(DC)に変換する装置です。広義には電圧レベルを変えるDC/DC変換なども含まれます。
A device that converts alternating current (AC) to direct current (DC). In a broader sense, it also includes DC/DC conversion that changes voltage levels.
同期・誘導電動機
Sync/Induction Motors
本研究室で扱う主なモータです。磁石や電磁誘導を利用して回転し、高効率な駆動には高度な制御技術を要します。
The main types of motors handled in our laboratory. They rotate using magnets or electromagnetic induction, and require advanced control technology for high-efficiency driving.
PWM (パルス幅変調)
PWM
スイッチのON/OFF時間の比率を変えることで、疑似的に任意の電圧・周波数の波形を作り出す代表的な制御手法です。
A typical control method that artificially creates waveforms of arbitrary voltage and frequency by changing the ratio of the ON/OFF time of a switch.
トルク制御
Torque Control
モータが発生する回転力を精密に操る技術です。応答性の高いパワーエレクトロニクスによりミリ秒単位の制御が可能です。
A technology that precisely manipulates the rotational force generated by a motor. Highly responsive power electronics enable control on a millisecond basis.
トラクションコントロール
Traction Control
タイヤの空転を防ぎ、路面へ確実に駆動力を伝える技術です。スリップ率や路面摩擦係数を推定し、安全走行を実現します。
A technology that prevents tire spin and reliably transmits driving force to the road surface. It realizes safe driving by estimating the slip ratio and road friction coefficient.
損失マップ
Loss Map
モータの回転数やトルクごとの損失を可視化したデータです。これに基づき、最も効率の良い駆動ルートを導き出します。
Data that visualizes energy losses for each motor rotation speed and torque. Based on this, we derive the most efficient driving route.
変分法・遺伝的アルゴリズム
Optimization Methods
複雑な条件から「最適解」を探す数学的手法です。総エネルギー損失が最小となる理想的な速度軌道の設計に用います。
Mathematical methods used to find the "optimal solution" under complex conditions. They are used to design ideal speed trajectories that minimize total energy loss.
MATLAB / Simulink
MATLAB / Simulink
高度な数値計算や回路シミュレーションを行うためのツールです。実機製作前に理論の妥当性を厳密に検証します。
Tools for advanced numerical computation and circuit simulation. We use them to rigorously verify the validity of our theories before constructing actual devices.