ぽんず製造所

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パワエレ

特になし

この前VVVFインバータの動画を1本上げたので紹介します。
209系のGTOインバータを真似てみました。
個人的に一番好きな音なので気合が入り,いい感じにできたと思ってます。
結構伸びておりありがたいです。



装置はVVVFカート2号機に乗せる予定で作ったこいつら↓(過去の記事)
NPC型3レベルインバータを作った
正負出力400W電流型DC-DCコンバータ
マスタ基板(?)
を使っており,24VバッテリーからDC-DCコンバータで±150Vに変換,インバータでモータを回すという構成になっています。
設定データは中央線の209系1000番台に乗って(通称)モハラジオで録音し,それと同じになるように解析・設定しました。よく知りませんが番台や編成によって設定に細かい違いがあるんですかね?とりあえず今回は[中央線の1000番台]のものになってます。







それ以外に特に進捗はありません。最近は工作ができておらず,ブログネタも特にない状況です。今後も活動は縮小気味なってしまいそうです。

サイリスタをしっかり駆動してみた

IMG_20200908_205448
よくEMLのスイッチにはサイリスタが使われます。サイリスタは扱える電力が大きいため好都合なのです。
しかし,サイリスタは臨界オン電流上昇率di/dtという「ターンオン時に1秒間にどれだけ電流を上昇させてよいか」という定格があります。シリコンダイ的にはゲート端子の近いところから徐々にオンしていくため,いきなり大電流を突っ込むことができない感じみたいです。
EML類ではdi/dtが激しい使い方となってしまうので,定格を超えそうでちょっと不安です。
三菱電機SEMIKRONInfineonのサイリスタのアプリケーションノートを読んでみたところ,di/dt耐量を上げるにはしっかりと駆動(ゲートドライブ)することが重要なようで,そうしないとデータシート上のスペックが出せないこともあるようです。
そういうわけで,今回はサイリスタをしっかり駆動するゲートドライバを試作して実験してみました。

しっかり駆動するって具体的に何やねんって話ですが,例によって全部アプリケーションノートに書いてありました。
まとめると
  • ゲート電流をめっちゃ流す(ピークはゲートトリガ電流IGTの8~10倍くらい)
  • ゲート電流の電流上昇率(dig/dt)を高くする(1A/us以上推奨らしい)
ということみたいです。
適当にゲートトリガ電流IGT程度流すだけでは全然足りないってわけです。
また,下の画像みたいなゲート電流波形が好ましいらしいです。最初はガツンと流すけど,しばらく時間が立ったらゲート損失を抑えるために電流を控えめにしてる感じっぽい。
キャプチャ

この波形を出すためには色々な回路が考えられますが,アプリケーションノートにパルストランスを使った回路が書いてありましたので,それを参考に試作してみました。
IMG_20200908_205448

回路図
点線で囲われてる部分が基板に実装している部分です。
キャプチ

この回路はトランスでゲートドライバ側とサイリスタ側が別れているところがポイント高いです。
回路の動作自体は単純でQをONするとトランスに電圧がかかり,二次側にパルスが伝送されるという感じですね。

パルストランスですが,パルスがちゃんと伝送できるようにET積を考える必要があります(当たり前)。
今回,パルス幅は300us,二次電圧は定常時で大体3V(流れる電流によって変わる)になるので,1:1で巻いた場合では900Vusくらい必要になります。しかもピーク電流が流れているときはもっと電圧が生じるので2000Vus(てきとう)くらい必要になるかもしれません。
あと,ゲート電流上昇率を高めるために,漏れインダクタンスも最小限に抑える必要があると思います(今回の場合だと1uHもあると厳しそう,実際作ったものは0.6uHでした)。
線間容量もなるべく小さい方がいいです。

今回作成したパルストランスのコアはそのへんに落ちてた適当なものを使いました。よくわからんコアなので,適当に巻いてみては動作確認するというクッソ面倒くさい作業をしてました。最終的には写真にあるようにコア4段重ねとなってしまいました。
できるだけ小型のトランスにしたかったので,ET積はケチって1000Vusくらいです。巻数比が1:2になっているのも,1:2にすれば一次電圧が低くなってET積を確保できるんじゃないかっていう発想です。
サイズ,コア,巻数,巻数比,ET積,巻線抵抗,線間容量,漏れインダクタンス...などなど,考えなければならず面倒でした...。

R1,R2はゲート抵抗の役割をしていて,C1がピークゲート電流の維持する時間(?)を決めるものです。点弧開始直後はC1が充電されていないため,電流はC1の方を通り,ゲート抵抗はR1の分となります。次第にC1が充電されていくとR2の方にも電流が流れ,最終的にはR2に流れるようになり,R1+R2がゲート抵抗としてみえます。
よって,ピークゲート電流値はR1,定常電流値はR2,ピーク電流がどれだけ続くかはC1で決定することとなります。
今回,ピーク2.5A,定常400mAくらいにしたかったので,巻数比が1:2ということを考えると一次側にはピーク5A/定常800mA流れることになります。電源電圧12V,トランスに掛かる電圧がピーク2.5V,定常1V,一次巻線抵抗が0.6Ω,MOSFETは理想スイッチとして計算すると,
R1 = (12 - 2.5)/5 - 0.6 = 1.3Ω
R2 = (12 - 1)/0.8 - R1 - 0.6 = 11.9Ω
といった具合に求まります。
.............が,実際のところは実験しながらいい感じの値を見つけ出し,最終的に回路図に書いてある定数となりました。というのも,サイリスタのVGKは種類や条件によって変わってしまうからです。C1の容量もセラコンの容量変化やらであんま当てにならなかったので実測で決めました。

ちなみに,R1,R2,C1は二次側にあってもよいのですが,一次側にあることでトランス掛かる電圧が低く抑えられ,ET積の小さい小型のトランスでも長時間のパルス出力が可能となります。また,ET積を超過してインダクタンスが爆下がりしても,R1,R2によって電流が制限されるので安心ってわけです。

回路図のDGS,RGP,CGP,DGPはノイズの抑制や誤点弧防止用の素子です。
その他工夫としては,ゲート電流上昇率を高めるために,全体的に配線インダクタンスを抑えるようにするようにしています。


実測波形です。とりあえずサイリスタは無負荷で駆動してみました。
DS1Z_QuickPrint52
CH1(黄色):ゲート-カソード間電圧VGK
CH2(水色):ゲート電流IG
MATH(紫色):ゲート損失PG

ちゃんとアプリケーションノートに描いてあるような電流波形が出ていますね。

初期の部分を拡大してみました。
DS1Z_QuickPrint54

電流上昇率dig/dtはおおよそ4A/usくらいですね。※電流測定用のシャント抵抗のインダクタンス成分で大きめ見えてる可能性があります。
アプリケーションノートでは1A/us以上推奨ということでしたからまぁ良いんじゃないですかね。もうちょっと流しちゃいたい気持ちもありますが...。

ピーク損失は10W行かないくらいですね。ピーク120Wくらいまでイケるサイリスタなので余裕ですね。まぁ良いんじゃないの(適当)。ピークはそんくらいあっても定常時は0.5Wくらいですからゲート損失が抑えられていることがわかります。


無負荷では良好に動作させることができましたので,今度は実際にレールガンを発射してみました。

上2つがゲート関連の波形で,下の波形はレール電流をロゴスキーコイルで取得した波形です。めちゃめちゃノイズ乗っちゃってますが許してください。
DS1Z_QuickPrint55
CH1(黄色):ゲート電流IG
CH2(水色):ゲート-カソード間電圧V_GK
(先程の波形と入れ替わってます)
CH3(ピンク),CH4(青色):レール電流のロゴスキーコイル出力電圧

アノード電流が流れたことで,無負荷よりもVGKが大きくなっています。
ゲート信号は300usのはずですが,200us後には電流が流れなくなっています。おそらく,VGKが大きくなったことでさっさとET積を超過してしまったのだと考えられます。まぁ,100us以上あればいいっぽいような事書いてあったので大きな問題ではないです。気になるならトランスを大きくすれば良さそうです。
他にもこの波形のツッコミどころはありますが,今回のゲートドライバとは関係ない(?)とかいった諸事情により省略します。

とりあえず壊れず普通に動いて普通に使えたよーーーって感じですね。 

動いたはいいんですが,それで実際どれくらい耐量が改善されてるのかはよくわかりません...。
まぁ,メーカーが推奨してるからきっと良いんでしょうし,壊れにくくなるし性能も引き出せるし精神衛生的にもいいので(?)今後も積極的にこの方法を使っていきたいと思います。

オートトランス式昇圧コンバータの試作

今まで、バッテリーなどの低電圧からEML用の高圧コンデンサを充電する際には、主に昇圧チョッパを使っていました。
ヒステリシス電流制御を開発によって高出力も出せて使い勝手も良かったのですが、昇圧チョッパの原理的に、スイッチング素子には大電流を流す・出力電圧がそのまま掛かるため、大きな負担がかかっていました。
高耐圧の素子は一般的にオン抵抗(MOSFETの場合)が大きく、そこに大電流を流すとなれば、大きな損失が発生します。損失は熱になるので大きなヒートシンクが必要になります。小型化・高出力化が求められるEMLでは熱の問題はより厳しいものとなっていました。
高耐圧でも低オン抵抗な素子もあるにはあるのですが、値段がお高い&ドライブが大変なので実用的ではありません。
EMLでは12V→400Vなどといった高昇圧比ですが、正直こんな昇圧比かなりきついものがあります。

そこで今回試作したのがオートトランス式昇圧コンバータです。
IMG_20200619_040928

ググっても、使用例が少ないのか、ググり方が悪いのか、あまり情報が出てこなくて(あるにはある)正式名称もよくわかりませんでした(アナデバ曰く"タップ付きインダクタ昇圧コンバータ"だそうです)。
昇圧チョッパの派生のような回路で、インダクタにオートトランス(単巻変圧器)を用いています。フライバックコンバータの非絶縁な形とも見れると思います。トランスとして使ってる感じではないのでこの呼び方は微妙かもしれないです。

動作原理としてはほとんど昇圧チョッパと似たような形になります。




記事書いてたら眠くなってしまったのでまた後で追記します。

正負出力400W電流型DC-DCコンバータ

VVVFカート2号機のモータ駆動用の電源として、電流型フルブリッジコンバータを制作してみました。24Vのバッテリーからモータを駆動できる300V程度の電圧まで昇圧する装置です。

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スペック
入力電圧:24V
出力電圧:±150V
出力電力:400W

モータが200Wで、過出力をさせたいな~なんてことも思ってるので一応400Wで設計しました。またインバータは3レベルインバータを使う予定なので両電源出力としました。電流モード制御を使ってるので応答性も良いです。
なぜ電流型コンバータを作ったかというと、入力電流が常に流れてくれるから・トランスの巻数比が足りなかったから・あとは作りたかったからです。最初のがとても重要で、入力電流が常に流れてくれるということはバッテリーの利用率が上がります。つまり電流型は昇圧に向いているということです。またピーク電流・リプルが小さくなりノイズが減るなど効果があります。あと電流ぶちぶち切るよりずっと流れてるほうがバッテリーにも優しそうじゃない?と勝手に思ってます。知らんけど。


なんか歪んでね??????????
IMG_20200217_180707
メイン素子に放熱器がついていませんが、筐体が放熱器みたいな感じになる予定なので大丈夫です。

入力部のインダクタはセンダストコアを使い平角銅線:通称きしめんを巻いた美味しそうなコイル。
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出力の整流ダイオードの放熱器はいいサイズがなかったので2つ重ねています。
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制御基板は別になっていてメイン基板に差し込む感じになっています。
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今回作ったコンバータ+3レベルインバータ+LCフィルタでDC-ACを組んで実験してみた時の動画です。ちゃんと動いてくれてます。



こいつを制作するにあたって色々あったのでダラダラと書いていきます

VVVFカート1号機の電源もバッテリーで、昇圧には昇圧チョッパを使っていました。今回も昇圧チョッパを使っても良かったのですが、今回はなんとなく入力と出力を絶縁したいなということで、トランスを使った絶縁型DC-DCとすることにしました。
でもトランス巻くのめんどくせぇな...ってことで昔ジャンクで買った故障DC-ACを分解してトランスを取り出して使うことにしました。DC-ACも今回のコンバータもやりたいことが似ていて流用しやすいと思ったからです。
DSC00847

そして何よりこのかっちょいいクソダサDANGERシールが好きだからです。
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トランスは8個も収穫できたので1つ解体してみました。EERコアで巻数比は1次3T+3T、2次16T+16Tでした。面白いのが1次側で、銅板が1次巻線になっています。シールドじゃないですよ、巻線です。話には聞いたことあったけどほんとにあるんですねぇ。
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また軽く回路も調べてみるとプッシュプルコンバータのようです。DC-ACにはPPコンがよく使われるようです。
このプッシュプルコンバータごとそのまま流用してもいいかなと思い回路を試作してみました
IMG_20200105_180127
が、トランスが思いっきり偏磁して萎えて没になりました。ついでにいうと巻数比も微妙に足りなくて最初からあまりやる気がなかった。

そんなわけで電流型フルブリッジコンバータを作ることにしました。
電流型コンバータでは、入力のインダクタによる昇圧と、トランスの巻数比による昇圧で2段階昇圧するような動作になるため、巻数比以上の電圧を出力できます。電流型コンバータのことは平地研究室技術メモ No.20100228 電流型DC/DC コンバータについてに詳しく書かれており参考にしました。
今回は巻数比が足りなかったのでちょうど都合がよく、さらに冒頭にも書いたような利点もあるので電流型コンバータを作ることにしました。

ただ、電流型フルブリッジコンバータの個人での作例が少なくわからないことが多かったため、とりあえず試作して色々実験してみました。
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制御にPICマイコンを使用しています。マイコンとは言ってもデジタル制御しているわけではなく、ペリフェラルを使って内部で制御回路を組んでいます。メインループとかマジでwhile(1){}だけになってます

こちらは回路図です。本番も同じ回路です。PICを使う前提で描いたのでちょっと変なことになってます。あとゲートドライバとかは省略しています。
無題

制御は最初は電圧モード制御を使おうと思っていたのですが、過電流流れてぶっ壊れそうだったので、過電流保護も兼ねてくれる(?)電流モード制御を使うことにしました。
しかし電流モード制御をすると変な波形で発振(サブハーモニックとか言われるらしい)することがあります。これはスロープ補償をすることで抑えられるらしいですがちょっとめんどくさいなぁ...と思っていたところ、PICにはスロープ補償をしてくれるPRGというペリフェラルがあるらしいです。じゃぁ余裕じゃんということで、そいつを使って電流モード制御をすることにしました。
電流モード制御は電圧モード制御に比べて応答性が良いので出力の平滑コンデンサは4.7uFと小さくでき小型化にも貢献しました。
下の画像は出力100W→200Wにしたときのステップ応答の波形です。
DS1Z_QuickPrint133
黄色(CH1):入力電流
水色(CH2):出力電圧
紫色(CH3):スイッチング素子ゲート波形
200us程度で立ち上がっていていい感じです。(ちょいエラーアンプのゲインが小さいかも)


こんな感じで色々あったのですが結果的には良いものが出来たと思っています。クソダサDANGERシールもちゃんと見えるしね!
400Wで作りましたが無理させたら600Wくらい出ました。でも熱設計的にマズイので数秒程度の短時間定格って感じでしょうか...200Wのモータに何W出させる気だよ

そうそう、今回制御にマイコンを使ったおかげでデジタルな処理もできるのがいいところです。コンバータの制御はペリフェラルに任せて、動作の状態の設定はソフト側から設定できます。電圧と電流の情報をADCで取得したり、UARTなどの通信機能を用いて外部とやり取りするなんてこともやろうと思っています。
処理能力は良いとは言えないPICですが、代わりにペリフェラルで色々するというのが正しいPICの使い方なのかなとも思ったり...。


最後に、今回作ったコンバータ+3レベルインバータでモータを回したときのオシロの波形です。波形的にも大丈夫ですしモータもちゃんと回ってるのでVVVFカートに使うことができそうです。

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。
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