ぽんず製造所

VVVFカート2号機用の電源の管理などいろいろなことをやる基板を作りました。
全システム電源のON/OFF、制御用電源の生成、電圧電流などの測定、RS-485の制御を行う基板です。RS485のマスタ用マイコンがあるってことでマスタ基板って呼んでいます。


電源のON/OFFはリレーで行います。大電流が流れるため、よくあるトグルスイッチ等では許容電流オーバーとなってしまうからです。MOSFETをスイッチにしても良かったのですが、物理的に遮断出来ないのは良くなさそうだし、半導体は吹き飛びそうなのでやめました。まぁリレーも溶着しそうだけどね。

ヒューズも用意されており、メイン大電流用のと制御回路用の2系統あります。安全性を考え、メインのほうが飛んでも制御側は生きて、制御のほうが飛んだら全電源を落とすという仕様になっています。

真ん中の銀色のはDC-DCコンバータで、制御用の12Vを生成します。

VVVFカート2号機では各基板間の通信にRS-485を使う予定ですが、そのマスタ用のマイコンも載っていて、ついでに入力電圧・電流・12V系電圧・温度等を測定します。
下の方のXHコネクタが電源・RS485バスで、そこに各基板をつなぐ感じですね。


で、RS485バスに正しいデータが乗ってるか・ちゃんと通信できてるかを確認するために、LCDで簡単なモニタを作りました。
試しにマスタ基板で取得した入力電圧・電流・12V系電圧・温度を表示させています。


コンバータやインバータ制御用のNucleo(STM32F446)と通信できたので大丈夫そうです。

やる気不足でこれ以外の進捗は他にありません。

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。





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？？？？？？？？？？

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。


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。



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。


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。

ぽんず@pons658

これは贅沢にも3レベルインバータを使ったDC-ACインバータ https://t.co/V0oMAskOKn

2020/02/22 21:04:19

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。


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。


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。



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

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。



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。


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。

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。

ぽんず@pons658

https://t.co/ueuPTKJzdW

2020/02/24 17:19:50

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)



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ﾌﾟﾙﾌﾟ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。

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。