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。

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。

DSC00841

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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DSC00802

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。

DS1Z_QuickPrint119





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。

DS1Z_QuickPrint114

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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DSC00814

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。

DS1Z_QuickPrint115

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...。

何もなし

7月は特に何も作りませんでした。したがって書く内容が無いよう

作ったといえばこれくらいです。
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次期Lガンの試作回路の一部です
できれば8月はこれをどんどん作っていこうかと思います


記事が短すぎるのでちょっと前に上げたVVVF動画でも貼っておきます

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。

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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。
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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
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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

VVVFインバータを搭載した乗り物

VVVFインバータと三相誘導電動機を載せた乗り物を作りました。
レールの上走るやつ作ってみたかったけどレール引くスペースなんて無いんで台車のように普通にタイヤにして色んなところ走れるようにしました。そのおかげで、電車なのか台車なのか電気自動車なのかよくわからない"乗り物"が出来ました。

動画です。
学校で作った関係でこれくらいしかネット上には上げられないのです...


京急新1000形風の音にしてみました。減速も音階なのは仕様です。

電源は12V鉛蓄電池を4直にして48Vとしています。そこから昇圧チョッパを用いて280Vまで昇圧、VVVFインバータを通して三相誘導電動機を回す構成になっています。電動機は1.1kWのものでそれなりにパワーがあり、加速が思ったより強くて楽しいです。ちなみにチョッパは一応1.5kWで設計しました。

運転台(?)にはマスコン、速度計/ノッチ表示、VVVFパターンの設定、非常停止スイッチがあります。
マスコンはロータリースイッチと3Dプリンタで作ったギアを組み合わせていい感じにカチカチ操作できるようにしてみました。楽しい。
VVVFパターンの設定というのは予め用意されたパターンをロータリースイッチで切り替えできるようにしました。その日の気分で色々な電車の音を楽しめます。
速度とノッチの表示機はこんなん。バーLEDを無駄にフルカラーにしてみたり。
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まぁあれですこれは作りたいから作った要素しかない作品です
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