ぽんず製造所

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パワエレ

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。
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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??????????
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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。
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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
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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。
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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。
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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。

NPC型3レベルインバータを作った

3レベルインバータは、NPC型、T-NPC型、フライングキャパシタ...などいくつか方式があります。以前制作した3レベルインバータはT-NPC型でしたが、T-NPC型よりもNPC型のほうが一般的のようです。ということで、今回はNPC型3レベルインバータを制作してみました。

NPC-TNPC

今回はプリント基板を発注することにしました。
その前にユニ基で1相分試作してみました。こいつを以前制作したTNPCインバータに取り付け、問題点などを洗い出しました。NPCとT-NPCが混在するヘンテコインバータ.....

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動作確認ができたら、本番の回路・基板を設計をします。
印刷して部品の大きさなどを確認をしたり、Twitterに投稿してフォロワーにミスを見つけさせたりして熟成させていきます。

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FusionPCBさんに発注しました。

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基板は1枚あたり1相分となっており、3枚使って三相です。プリント基板は5枚とか10枚単位での注文になるので、こういう構成にすると無駄基板が少なくなるかも(?)というか10x10cm以内に三相分入らないんですわ。
ACS712系が載る電流センサ基板も一緒に製造しましたが今はまだ使いません。

それぞれの基板がどの相かは基板裏にあるジャンパで設定します。

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少しずつ部品を載せて慎重に動作確認をしていきます。

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そして完成したのがこちらです。


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キー一緒にぶん回してるの気づかなかった。Twitterに上げて言われて気づいた。

NPC型では各素子で電圧を分け合えるため、600V素子を使用しながらも400V級インバータとすることができました。2レベルで作ろうとすると1200V級素子が必要になります。
電源の関係で580V(±290V)までしか試せてないけど1000V入力くらいまではいけそう。しらんけど。
ちなみに中間電位は単純にコンデンサ分圧で生成しています。

基板一枚ずつだとこんな感じ。

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各基板はバスバーと長いピンヘッダで接続されます。バスバーがパワー入力、ピンヘッダが制御信号&電源入力です。バスバーの横にあるのが出力です。ネジ端子がお気に入りポイント。

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信号線の本数を少なくしたかったので、ゲート信号を直接送るのではなく、「出力したい状態」の信号を送るという工夫をしています。
インバータの出力はプラス、マイナス、中性点、それからハイインピーダンス(全素子OFF)の4状態が出せれば良いので、信号線は1相あたり2本で済み、3相分+電源で8本です。

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2本の線で送られた信号は、基板裏のマイコン(PIC16F18426)に入力され、相の設定、入力保護・動作状態の決定、相補出力生成、デッドタイム生成を行い、各素子のゲート信号を生成します。
以前のT-NPCのときにも同じようなことをやっていましたが、NPC型になったためマイコンのお仕事がすこし増えています。
NPC型では、例えば出力をプラスからマイナスに変えたいとき、プラス→中性点→マイナスのように必ず中性状態を挟まなければいけません。突然変えると1つの素子に全電圧がかかる時間が発生して壊れてしまいます。
そこで、PICのペリフェラルであるCWGとCLCを駆使してマズい状態遷移時には中性を挟むように工夫してみました。同時にデッドタイムの生成とかもしてます。
これができると2レベルインバータ向けに作られたパターンも入力できたりします。下の画像は中性状態が自動挿入された出力波形。

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あとは開発メモ的な。


・誤作動する
最初、徐々に入力電圧を上げていくと150Vくらいから誤作動しまくることが判明しました。
どうやら素子のターンオン・オフが速すぎてdv/dtがエグくてノイズが発生、結果的に制御マイコンが誤作動していたようです。
ゲート抵抗調整してdv/dtが大きくなりすぎない程度にしたら、最初10Ωだったのが100Ωになってしまいました。デッドタイムを多めに取るハメになったしスイッチング損失がヤバそう...キャリア100kHzとかでスイッチングしたかったのに悲しい。
さらに、マイコンの信号入力あたりのノイズが酷かったのでコンデンサを外付けして無理やり安定させました。写真はそのコンデンサ(VA, VB端子付近)と付け替えまくったゲート抵抗。

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パワー側と制御側は絶縁電源&フォトカプラで完全に絶縁されてるのにノイズが回ってくるということは、おそらく絶縁電源の中のトランスの寄生容量で絶縁電源が絶縁電源になってない(意味不明)になってるからだと予想してます。今度作るときはそのへんのことも考えないといけないですね。



・各素子が電圧を分け合わない
NPC型の利点である「素子の耐圧よりも入力電圧を大きくできる」というのは、各素子が電圧を分け合うことで実現しています。つまり綺麗に分け合っていなければマズいわけです。
上から、Q1, Q2, Q3, Q4のD-S間に掛かる電圧波形です(画像では3パルスモード出力中)。制御は問題ないはずなのに、Q3、Q4の電圧が偏ってしまっています。

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素子の寄生容量や漏れ電流の影響で偏りが発生していると予想したので、下図のように抵抗を入れてみました。

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この状態で実験を行ったところ、今度は綺麗に電圧を分け合ってくれました。

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実は設計中から薄々気づいてた問題で、シミュレータ上でも確認してたんですが、まぁ今回各素子にTVSダイオード入れるから別に抵抗無くてもよくね?ってことでいれませんでした。実際TVSでなんとかなってるのであとで抵抗は外しました。(よく見ると電圧の偏りが発生してる途中で平坦になるところがありますが、それがTVSのおかげです)


ってな感じで諸々の問題もありましたが順調に動くようになりました。基板自体のミスもある気がしますが発注し直すほどでもないかな...。

台風対策で正弦波インバータをでっちあげた

先月の台風15号では停電が発生して大変なことになっていましたね。そして今度はそれをさらに上回る勢力の台風19号が来るということで、ちょっとだけ停電対策をしてみました。

とりあえず何かしらの電源が生きてればいいと思ったので、奥に放置されていた12Vの鉛蓄電池を引っ張り出してきました。
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何年か使ってなかったんでほぼ使えないかもしれないなーと思いつつ電圧を測ってみると、予想を上回る0.2Vで完全にお亡くなりになっておりました。
まぁムリやろと思いながら、ダメ元で150Vとか無理やり掛けたりしてたら、中でバチバチ言いながらだんだん復活してきました。
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結果、容量は定格の1/4程度とはいえ十分使えるレベルまで復活しました。10Aとか流してもOKです。
もう希望のないバッテリーだったんで雑に扱ってたまたま復活してラッキーって感じだったんですが、多分相当ヤバそうだし絶対に真似しないでください。


とりあえず12Vは用意できたのでスマホ充電とライトくらいは使えるようになりました。
そうそう、ライトは昔作った100WLEDライトを持ってきて、バッテリーと電源装置をダイオードを介して並列ににすることで無停電ライトとしました。停電して足元見えなくなって部品踏むと痛いからね。ついでにライトにアルミアングル取っ付けてモーターで押さえつけてスタンドにしました(雑)。
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こいつは瞬断した時に一瞬だけ活きました。

この時点で台風接近まで半日くらいありましたので、電源の汎用性を持たせるため、正弦波インバータを作ることにしました。家庭内の電力をすべてまかなえるわけではないですから気休め程度のものです。

通常のDC-ACインバータは、バッテリーの12VからDC-DCにより150V程度に昇圧したあとインバータ+フィルタで100Vrmsの正弦波を出力します。昇圧に高周波トランスを用いるので小型・軽量化できるんです。
しかし今回はそんなの設計してるヒマもなく、部品は家にあるもので、時短のためなるべく簡単に制作できるように設計しました。
容量大きめの50/60Hzトランスがちょうど余ってたんで、12Vをそのままインバータに通し8.5Vrms・50Hzの正弦波にし、トランスに入力して100Vを出力するというものが完成しました。
キャプチャ
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インバータ部はPIC16F1778でPWM信号を生成し、適当なドライバと適当なMOSFETで組んだフルブリを動かしています。
フルブリからの出力はLCフィルタを通してトランスに入力されます。

最終的な出力波形。思ってたより綺麗でした。
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負荷として50Wのハンダゴテをつなげてみたところ、85Vrmsにまで低下してしまいました。このときのバッテリー端子電圧は10.3Vくらいだったと思う。死んでたバッテリーだしこんなもんよね。


結果として停電は免れ、インバータを使うことはありませんでした。しかしすぐ隣の地区では数時間停電してたようで、自分の地区でも停電してもおかしくなかったようです。備えあれば憂いなしですね。
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