ぽんず製造所

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VVVFインバータ

ベクトル制御をやってみた

最近Twitter上でベクトル制御が流行っているようですので、自分もやってみることにしました。
というのも、実はまたVVVFカートを作ろうとしていてですね、以前のVVVFカートは単純なV/f制御だったので、今回はできればベクトル制御で動かしてみたいわけです。その試作ということです。
ちなみに前回の記事の3レベinvもVVVFカートに搭載予定だったりします。


「ベクトル制御」は聞いたことあるけど、そもそもベクトル制御ってなんぞや?ってところから始まりました。
自分は交流モータをいい感じに回すやつだと思ってたのですが、やはりそれであってるようです。
具体的には、交流モータを直流モータと同じように簡単に制御できるようにするものです。
直流電動機は界磁巻線に「界磁電流」と電機子に「電機子電流」それぞれをいい感じに流すことでトルクを制御できます。
交流電動機は交流を流せば回りますが、「界磁電流」「電機子電流」がなく制御が難しいです。
そこで、それらに対応するように、交流モータに流れる電流をうまいこと演算して「界磁電流」(Id)と「トルク電流」(Iq)に分解します。そうすると交流モータも直流モータに見えてきて簡単だよね!ってお話らしいです。


とはいえ何をどうすればいいか全然わからなかったので、すでにベクトル制御履修済みのっょっょオタクにアドバイスを貰いまくって作っていきました。

回す対象ですが、今回は誘導電動機を使ってやることにしました。
制御するなら同期電動機のほうが簡単らしいですが、入手性の問題的に無理矢理でも誘導機を使ってやります。オタクによると誘導機はスベリがあるせいですごく面倒な感じになってるらしいです。

センサありにしろセンサレスにしろ速度センサが必要っぽいので3Dプリンタでエンコーダを作りました。15枚羽で解像度が荒すぎるので一旦速度を得てから機械角に変換します。誘導機なのでそのへんは雑でも大丈夫だと信じてる(てきとう)
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そんなこんなでいろいろ試して、なんとか完成したのがこちら。
Iqに音声を重畳させることでモータから音声発生させるものです。



これの元ネタはこちらの動画で、自分はn番煎じとなります。
キャリア周波数で音声を出してるのではなく、トルクをいじって回転子を細かくプルプルさせて反作用でモータと床が振動することで音が出ます。
ベクトル制御ではd軸・q軸を制御することと、スピーカアンプのD級アンプをかけて、dqアンプとか勝手に言っています。

制御ブロック図はこちら(pdf)の図8-1とほぼ同じ構成になっています。センサあり・すべり周波数型ベクトル制御です。
制御にはSTM32F446REを使っています。PWMキャリアは25kHz、制御周期は50kHz(キャリアと山と谷でPWM値を更新できるので)です。
インバータは昔作ったコレ
オシロはIq指令(水色)と実際のIq(黄色)を表示しています。それぞれの波形はマイコンからDACで出しています。

ステップ応答を確認してみました。なんかノイズが乗っちゃっていますが見なかったことにしてください。
DS1Z_QuickPrint116
100HzでIqをふってみています。
Iq指令にIqが素早く応答すればベクトル制御がうまく動いてると言えるらしいのですが、まぁ初めてにしてはまずまずなんじゃないの?って感じです。

ベクトル制御履修済みっょっょオタクに確認していただいたところ、ベクトル制御ちゃんと動いてる認定をしていただけました。教えていただきありがとうございました。

というわけでなんとかベクトル制御ができたみたいです。とりあえず満足したし切りもいいのでここからの進捗はありませんが、VVVFカートを作るときにまたいじることになりそうです。

11月分

新しく3レベルインバータを作ってるのですがまだ完成してません
完成したら詳しく書こうと思います

DSC_4108



あとは11月はなにもしてません

うそです ほんとは学校の方で作ってるものがあるのですが、学校のものなので現状ブログに載せられません

新型モハラジオ案(失敗)

VVVFインバータなどの音などを聞くことができるモハラジオ(http://www.moha-radio.org/)というものがあります(詳しくはHPを御覧ください)。
モハラジオはVVVFインバータやモータから発生する磁界を検出して音声として得る仕組みになっています。そのため、車内の話し声などに影響されず、純粋にVVVFの音だけ得ることができるわけですね。


さてここで、本家では磁界を検出していますが、電界からの検出もできないかと考えました。
特にメリットも無さそうな感じもしてましたがまぁとりあえず実験してみました。


結論から言うとほぼ無理でした。


回路図
Untitled
2つのアンテナで信号を取得、差動増幅回路で両者の差分を得るようになっています。

実物
試作&定数を変えまくる&実車で扱えるようにした結果がこれです。ひどいけど許して
DSC_3897


結果
写真は自宅でVVVFインバータを動かして得た波形です。
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DSC_3895

青、ピンクがアンテナ直接の波形です。うねうねしてるのがハム成分でカクカクしてるのがVVVFの成分です。で、その差分が紫です。ちょっと打ち消しきれてないですがまぁいいでしょう

アンテナは針金、金属板などいろいろ試してみましたが、本質的にはあまり変わりませんでした。感度が変わるくらい。
アンテナ同士の距離もいろいろ試してみました。ハムが打ち消せればいいのでハム成分が同程度になるような場所を探しました。


というわけで少なくとも何かが取れることがわかったので実車にて録音してきました。がほとんど取れませんでした。スペクトルを見ながら録音してたのですが、うっすらこれVVVFの音...?みたいなのが現れた程度です。


もうすこし実験を重ねれば改善されるかもしれないですが、そんなことするくらいなら既存のモハラジオできれいに取れるようにしたほうが良さそうです。

3レベルVVVFインバータを作った

Twitter上で最近またVVVFインバータを作るのが流行っているようでしたので、自分もインバータを作ってみました。他の方は2レベルを作っていたので、自分は3レベルインバータで対抗しました。

DSC00591

個人での3レベルインバータの作成例が見つからずいろいろわからなかったので、とりあえず試作ということで手探り状態(?)での制作となりました。
そんなわけで基板の無駄が多く、また別基板があったりしてキレイに収まってません。
DSC_3733

真ん中がメインのインバータ基板です。左が倍電圧整流回路で、コンセントから141Vと282Vを生成します。右が制御用のマイコンボード(Nucleo)といつもの操作ボタン。

後ろ側
DSC00592

回路構成はT-NPCです。
Untitled

とある人から大量に絶縁DC-DCコンバータを頂いたので使ってみようということで贅沢に使っています(でも絶縁電源使わなくても作れるし、使いたかっただけ感...)。絶縁DCDCとゲートドライバ付きフォトカプラ(TLP250H)でパワー部と制御部は完全に絶縁されています。やっぱりこの方式だとGDTやブートストラップ方式と違って楽にゲートドライブできていいですね。

基板についているICはマイコン(PIC16F18325)です。禁止入力保護、相補波形生成、デッドタイム生成を行っています。制御ソフトのミスによる回路の破壊防止と、ソフトの単純化・軽量化が目的です。
パワー素子が無駄に強いのを使っているのはそれしかなかったから。スペック不足で飛ばすよりはいいかな...。

あと一番やべーのが、スナバあたりの設計がよくわからなかったので、スナバレスにしている(になっている)ところです。素子のターンオフをめっちゃ遅くして過電圧の発生を抑えています。
ちなみに緑のスナバコンっぽいのはスナバコンとして機能してません


東武30000系風のデータを作って回してみました。
非同期の周波数が上がる直前の捻れるような音が好きです。


オシロの下の黄色と青の波形が相電圧、上の紫が線間電圧(オシロ内で計算)です
ちゃんと3レベルやろ?

というわけで3レベルVVVFインバータを作ることが出来ました。次作るとしたらもうちょっと綺麗にまとめて作れたらいいなと思います。続きを読む

回生型コイルガン-メイン基板①

5月はあんまり作業しませんでした。
回生コイルガンの試作回路を参考にして、本番用の回生型コイルガンのメイン基板を作り途中というところです。
DSC_2705

まずは充電回路作ろうな~~と思って昇圧チョッパまで作ったんですよ
んで動かしてみたら電流検出がなんかうまくいってないっぽくてだめだったんですよ
それから萎えて何もしてないという状況です。


あとは久しぶりにVVVFカート乗りました。
前回乗ったときにインバータが燃えたので作り直しました。なんかまた燃えそうなのでやる気ない基板になりました。
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あと後輩くんがカートにヘッドライトとテールランプつけたいって言ってくれたので、LEDドライバをパパっと制作


209系(GTO)風の音で走らせてみました。


やっぱこの乗り物は楽しいです。
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