2017年10月18日 (水)

まやかし力学 dcサーボモータpwmアンプ逆回復電流

Rev1x早朝7時前、
入り口のドアをドンドンと叩く御仁が居る。慌ててドアを開けるとjazzプロデューサーのm氏が”お邪魔します!”と笑顔で立っていた。”お邪魔です!”と返して、美味いコーヒーを入れてさしあげる。今度の日曜日に纐纈雅代さんのjazzコンサートがありそれの確認にみえた。画像の上pwmの2度打ちはdcサーボモータpwmアンプ設計の問題で、あんぷおやじのせいではない。そのpwm2度打ちのせいでモータ電流は5aなのに、電源電流lemセンサー検出値がドンドンと2段に増えて最大電流値は35aもなり、原因が分からない。

Rev2この過電流に一難去ってまた一難でウンウンしていると、ミルトさんが”一関ベイシーへ行ってきたぜ!”とこれまた笑顔でみえた。ベイシーの音を的確に表現して大したものだが、奥の円テーブルに案内されスガワラさんと会話しながらのベイシー探訪に歓迎の様子が分かりもっと大したものだ。lemの電流センサーがトロイと思いレクロイの27万円もする電流センサーに交換したが、電流値は40aでどこから流れているのか?益々謎めいて気持ちは益々滅入る。

Rxxpwm2度打ちは完全にまずく回路を調べて修正する手もあるが、また1ヶ月は納品がずれ込む可能性があり目をつむるコトにした。このまんまではトランジスタモジュールを保護出来ないため、レギュレーションを落とす方向で電源に2Ωの抵抗を付けた。オーディオアンプテスト用の抵抗で4Ωを2本連結してあり、8、4、2Ωになるチョー安いが優れもの。

Rev3そうか!
このdc電源に入れた抵抗の電圧を測れば電流の正体がバレる。dc280v回路の抵抗であるからyewの高精度高圧差動プローブを抵抗の両端に付けて観測すると、富士電機のデータ通りで逆回復電流時間600nsecがはっきり見えた。レクロイの27万円もする電流プローブap015は50mhzの帯域を誇るが、600nsecには着いていけずこの帯域では使い物にならない。レクロイは立上がりが遅れて立下りはなお遅れて尾を引き最悪で、あたかもモータ電流のような表現なのだ。

Rev4xx まやかし力学にやられた。
lemの電流センサーは2,000円程度だから性能は悪いと決めていたが、まさかレクロイが...50mhzでダメだとは?オシロスコープのサンプリングは1g(ギガ)だから、お代にまやかされた自分自身の問題だった。レクロイの30aが抵抗検出で66a、電流は増えたが600nsecは逆回復電流で何ら問題ない。電源が600nsec短絡されてdc270vの電圧が100vまで落ち込む。しかしレクロイの電流波形からはどうしても逆回復電流と読めなかった...これで大いに前進した。

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2017年10月16日 (月)

dcサーボモータpwmアンプ 過電流遮断

Amp2研究室に閉じこもり不眠不休でdcサーボモータpwmアンプの修理をしていると、時として絶望するコトある。こうゆう時「自分を信じてがんばれ!」と偉人達の声が聞こえてくるが、たいていは半信半疑の信じ方しかしできない。それでも諦めはせずネバネバやっていると劇的ではないにしろ答えがもらえて、又しても何とかなるか?ミナーシャモータが回り始めて1週間、保護抵抗ガチガチのうそっぽい動作が、昨夜それらを外し漸くまともに動いた!

Ovcc保護抵抗を外すためには過電流遮断機構が必要で本来は何ヶ月も時間を欲しい所だが、イチカバチかで組み込んだ。時間が無いため回路は極度に単純化した。lemの電流センサー100aの出力とポテンショメータの過電流判定電圧の比較で、コンパレータにはlm339を使った。

Rev3問題は逆回復電流の電源短絡状態で50a~100a程度600nsec流れ盛大にノイズが出る。これらのノイズはコモンモードで飛び込むため、差動コンパレータのコモンモード除去能力によりリジェクションされて大丈夫そう。

Ovclm339の過電流出力をdcサーボモータpwmアンプの保護回路へ並列接続してみた。見事に過電流遮断してこれならば使えそうな雰囲気が漂ってきた。富士電機のトランジスタモジュールevk31-050aの限界スペックは100aの1msecとなっている。画像のように200μsecの分解能で、見極めが付かないほど高速で遮断してpwmを止めている。

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2017年10月13日 (金)

dcサーボモータpwmアンプ 還流電流

Prb高圧差動プローブは合計4台となった。hioki1/1000が2台、pintekはレンジ切り替え式で1台、yewは1/10,1/100の2レンジで1台。画像はアッパーロア各アームのce(コレクタ、エミッタ)on/off測定にhioki、アッパーロア各アームのベース電圧測定にpintekとyew、yewは一番精度が高いのでそのような箇所に使う。それにレクロイの電流プローブが付き、dcサーボモータpwmアンプの測定方法は完璧となった。

Revpwmアンプ(デジタルアンプ)はオン時間とオフ時間の比率でエネルギーの調整を行うため、オフ時間の間は電源からエネルギーは供給されずモータコイルに溜まったエネルギーの放出で力を得る。その電流が還流電流で画像の2(茶色)のサイクルとなる。t1下トランジスタに並列に接続されたフリーホイールダイオードはアノードが+カソードが-と逆バイアスされている。

Revbxx t1下トランジスタがオンからオフして再びオンした時、ベース電圧が0v付近まで落ち込みこれは一体?これではt1下トランジスタがオフしてしまいpwmサイクルが成り立たない、と最初は思い丹念に調べた。それが上画像の2サイクルにおけるフリーホイールダイオードの逆バイアスで、トランジスタのベース電圧は見かけ上落ち込んでいるがベース駆動電流はしっかり流れておりオフするコトはない。修理作業でドキュメントが無い場合にはこうゆう些細なことも理論的解明をしておかないと不安が残る。

Amp1今更のdcサーボモータpwmアンプ修理でこれらのノウハウは意味を持つのか?全く意味を持たずリキが入らないのはそのせいなのだ。あえて言うなれば...エンジニア最後のやせ我慢!

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2017年10月11日 (水)

dcサーボモータpwmアンプ デッドタイム

Drvオーディオ機器修理の何とか工房のように、怪しいと思われる関係部品を全部交換してしまうような修理法はとれない。pwmアンプのドライブ基板は両面スルーホールガラエポ基板で部品が抜け難く、部品交換を繰り返すとランドにダメージを生じたり信頼性を損なう。それに回路を調べて作図しながら動作を理解していかないと修理にはならない。第一職人ではなくゲージュツ家?であるからして、2回も3回も同じことは飽きてしまい出来ない。しかしこれだけ時間を掛けても修理費は微々たるモノで赤字間違いなし。とゆう訳で何とか工房の部品全数交換は短時間修理が可能で商売上は正解、ちっとばかりの技術を威張っても金儲けには程遠い。

Dtxミナーシャモータが動き始めて更に確認作業が続き、今回はデッドタイムの検証。アッパーアームとロアアームが同時にオンすれば短絡事故を起こしトランジスタモジュールからドライブ基板まで全てを破壊して悲惨な事態になり、今回がそれなのだ。保護回路の電源のヒューズもffbブレーカも何ら役にたたない。エミッタに電流検出抵抗を付けてベース遮断それば良いが、電流値最大30aも流し長期安定動作を保証するにはこの保護回路の開発だけでも何ヶ月も掛かり、今は出来ない。理屈は簡単でも製品レベルの開発は簡単ではない。動作パターンを8フェーズとして解析すると確実に6~7μsecのデッドタイムが確保されて、合格となる。3と8はトランジスタモジュールの動作時間遅れで、オフの方が若干長いが概ね数百nsecでこれも合格。ドライブ能力が軟弱だとオフ時間がデッドタイムをオーバーして短絡する。
Mmこのdcサーボモータpwmアンプは5kw用でモータ電流値は18aとなっている。従ってアンプの電流制限値が大きく、200wのミナーシャモータでは電流が多く流れ過ぎるため電流制限抵抗を付けた。それでもピーク値で9aも流れてモータを回しながら波形を撮っていると、モータが無負荷でも過熱する。音がふるっていて例のキ~ンキ~ンで、どこかで聞いた事が?そうだプリウスだ。とゆうコトはプウリスのpwm周波数は5khz前後となる。特大慣性の自動車では電流制御5khzの遮断周波数ωcは(2πx5000/3)x0.7=7000rad/secで十分と言える。まあスイッチング回数が少なければ効率も上がり熱対策も楽になり、電流タスク時間も十分にあるからc言語で書けて現代ソフトエンジニアで問題なく処理できる。

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2017年10月 9日 (月)

dcサーボモータpwmアンプ 逆回復電流

Revまるでicu状態で信号検出箇所は8ヶ所にも上る。オシロスコープが何台もある場合には、1台で1ヶ所とすれば絶縁せずに信号を見たりできる。トリガのタイミングが重要でない信号観察には高圧絶縁プローブも必要ないから、この方式が案外便利なのだ。さて修理作業も佳境で半導体のあっちこっちにダメージがあり意識を集中していたが、なんとpchドライブトランジスタのエミッタ抵抗1Ωが断線していた。アームトランジスタのベースディスチャージが出来なく、オフが遅れてアーム短絡していた。1個10円の抵抗のせいなのだが、高価な1個1万円のトランジスタモジュールの破壊と同義で、対価とは何ら関係なくダメなものはダメで怖~い現実を見てしまった。

Rev1xこれでアーム短絡は無かろうと動かすが、赤丸印の短絡的波形が怪しい?次の青丸印のナイフの先端のような波形はモータ負荷電流で正常となる。

Rev3そこで逆回復のルートを追った。左ロアアームの還流ダイオードは下側が+で充電され前サイクルを終了している。次のpwmサイクルで左アッパーアームがオンすると左ロアアームの還流ダイオードは上側が+となりリカバリ電流が流れる。したがって逆回復電流の流れるタイミングは左アッパーアームのオンとなる。それをオシロ波形で確認するとまさしくその通りで、アーム短絡ではなくてリカバリ電流による短絡に間違いない。

Rev2更に確認する。富士電機トランジスタモジュールevk31-50a、600v50aの逆回復時間は600nsecと仕様書には記載されている。レクロイのオシロの1gサンプルで拡大してみた。拡大するとほぼ600nsecはスペック通りで、修理作業も大いに前進した。

Rev0_2余談だがデジタルの良さは物事の単純化で、複雑怪奇を2進法のnandかnorに全て置き換えて表現するその凄さ。微分積分は何となく嫌だがデジタル化演算式は分かり易く、サーボのpid制御なんか誰でも出来る。今回修理のアナログサーボは複雑怪奇で時間が掛かってしまった。これがcpuを使ったデジタルサーボならばハードウエアは単純で、誰でも修理できる。今更dcサーボpwmアンプなんか勉強もしたくないが、気持ちとは裏腹にしっかりと勉強してしまった。

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2017年10月 8日 (日)

泥縄力学 dcサーボモータpwmアンプ

Svamp何が困るかって綺麗さっぱりと忘れることで、acサーボモータpwmアンプはかなり忘れてしまい、dcサーボモータpwmアンプは完全に忘れてしまった。でありますから現役に復帰するために1ヶ月も要し、客先に心配を掛けるのでありました。dcサーボモータpwmアンプの情報は今はネットがあり便利だからそこから情報を...殆ど怪しげで、まともな答えもベストアンサーに選ばれていない怖いネット情報でした。仕方がないので画像のように1・安川ミナーシャdcモータ、2・レクロイ電流プローブ、3・修理したyewの高圧差動プローブを使いpwmの動作解析をした。

Dr1pwmの1象限毎に情報を撮り動作の確認をする。dcサーボモーターの場合H型ブリッジを組み4個のトランジスタのpn/offで電流制御を行う。pwmのパターンは自在に存在するが対象サーボアンプのパターンを先ず調べ、そこを理解した上で調査する。1は左アッパーアームオン、右ロアアームオンでモータ駆動電流が流れる。2は左アッパーアームオフでデッドタイムに右ロアアームの還流ダイオードを経由して還流する。3左ロアアームオンでも還流は続く、放電し切ると逆方向に電流を流すが小さい。4外力による回生はロアアームの還流ダイオードからアッパーアームの還流ダイオードを経由して電源回生する。おのおのの還流ダイオードは正逆に充電されるため盛大に逆回復電流が流れ、スパイク電圧が発生する。dcモータのメイン還流電流はロアアーム内で処理されるため電源回生は無い。
Dr2これに対応した電流を撮って確認する。1がモータ駆動電流で2が還流電流、3が回転力発電による僅かな逆方向電流。ミナーシャモータはdc42v用でインダクタンスが小さいため直列に電流制限抵抗を付けて回した。赤のモータ電流ピーク値は6.5aにもなるがモータに負荷が接続できなくてサーボの正当な評価は出来ない。デッドタイムは7μsec、pwm電流制御は5khzの200μsecとなっていて時代の古さを感ずる。
Dcm3ミナーシャモータはミニイナーシャ(小さい慣性)の安川電機の造語、モータは安川入間で作られていて何度も埼玉を訪問した。音楽仲間が社長をしていた安川モータは北九州小倉で大型モータとなり、すみ分けされていた。何とも懐かしいミナーシャモータ200wに今回は救われ、タコゼネも久しぶりの扱うがエンコーダと違いアナログだから分解能の悪さも出るが、要するにそれがアナログモータなのだ。それにしても仕方無しの泥縄力学で4台も入手したdcモータをどうするか?ターンテーブルにでも使おうか?

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2017年10月 4日 (水)

泥縄力学 高圧差動プローブ修理

7019210 横河電機(yew)はその昔、横河ヒューレット・パッカードとした計測器部門を持っており、ヒューレット・パッカードの親戚と捉えて大いに支持していた。
pwmサーボアンプのアッパーアーム側はフローティング電源で、そこを見るためには高圧差動プローブが必要となる。今回は思い切ってyewの701921を導入した。一応定価は82,000円もする高価なもので、更にオプションの75,000円の電源までは購入できないから乾電池仕様で使っていた。

7019211あまりにも電池の消耗が早くdcアダプターで何とかしようと、何とかオフへ調達に出向いた。一応9v仕様となっているが適応するものが無く12vを調達した。そして動作させていたら焦げ臭くなり壊れてしまった。(後日このdcアダプターの電圧を測定したら12vの所が17vもありハタと納得、定格負荷を掛けた状態で12vになるようにしてあるからの事故だった。)ショックのあまり捨ててしまおうとガラクタ箱へ放り込んでおいた。何日か過ぎ...しかし1/10の減衰率は使いやすく、本気で修理を試みる。サーボアンプの修理に測定器の修理をしていたのでは世話ねえや!

7019213xdc-dcコンバータで±?vを生成しているがここがパーで出力チョークコイルを±2箇所撤去して、opampの±電源を調べ外部からリニア電源を投入したら見事に動いた。電圧は不明だが出力電圧が±7vとあったので±8.5vとしておいた。これでアッパーアーム側のフローティング電源±15vは問題なく見れるようになった。泥縄力学で測定器の修理に時間を費やし、一体何をしているのだい?

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2017年10月 1日 (日)

想像力学 見えないものを見る

Megレクロイのオシロスコープを2台、テクトロのオシロスコープを2台合計12ヶ所を同時にモニターしてトラブルの要因を探っているが、これが中々見えない。ロボット会社の時も最近までもオシロスコープ1台は2ヶ所しか見えず、これで数々の難事件を解決してきたのだから見え難いものは想像力で補うしかない。

Dataオシロスコープ測定データはfddに落とし、それをパソコンへ移動しプリントアウトして睨めっこする。何度もデータを録り見えないものを見る地道な作業が続き、これが修理作業なり。

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2017年9月30日 (土)

蝶家 ルリタテハ

Ruli26x安曇野の田淵行男さんは最も尊敬する人物の1人で、登山家、写真家、蝶家、画家と多才で蝶家と画家に賛同した次第です。画像はタテハチョウ科のルリタテハで信州では良く採取した蝶ですが、近頃は清水の街中で見られるから驚き。この画像はほぼ実物大、お隣は珍しいマクロケントラウチワサボテンです。

Ruli1_2過日、サーボアンプの修理でキュウキュウとなって気分転換で温室に入るとルリタテハは飛翔しているではありませんか!慌てて写真を撮りましたが間もなく飛び去りました。イラン世話ですが安物のデジカメはカメの如く遅くて、シャッターチャンスに撮れません。

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2017年9月23日 (土)

デザイン力学 General Radio Impedance Bridge Type 1650-B

1650bこれはアメリカGeneral Radio社のインピーダンスブリッジで、1650Aの後継機種としてコルトレーンの亡くなった翌年の1968年に発表されている。今更インピーダンスブリッジもないもので、LCRメータでコト足りる。たまたまオークションでレクロイの電流センサーを探していたらヒットして、思わず手に入れた。

1650b2amp工房メインシステムの再構築ではラインアンプのヴォリュームが10回転ポテンショメータに変わり、そのツマミを探していたらGeneral Radio Impedance Bridge Type 1650-Bの超大型のツマミに惹かれた。落札のお代はポテンショメータのステレオ分位で、こうゆう時オークションは役立つ。間もなく現物が届き”解体したろか!”と勇んでいたが、ホレボレするデザイン力学にやられて”解体するなど不埒モン!”となってしまい、又してもガラクタが増えた。

1650b4小型のスーツケースみたいなヤツを開くとインピーダンスブリッジのパネルが現れ、思わず”オーッ!”と感嘆し時代の余裕度を感ずる。デザイン力学なのでしょうが、後世に残る優れたデザインは成果主義の現代では中々生まれ難いのかも知れない。

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2017年9月19日 (火)

ブログ更新について

Mamaxx暫くの間本業多忙につきブログ更新は不定期になります。ご了承ください。

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2017年9月17日 (日)

蒐集癖力学 測定器編3

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jazzオーディのおける音の良さと測定データの関係方程式は、周波数特性と歪み率においては成り立たず、回転精度と振動においてのみ成り立つと推論しており、我が研究所はその部分においての測定器を蒐集癖力学で集め、そして解析可能な環境を作っている。ここに到達する以前はテクトロニクスの歪み率計AA501Aを2台も購入して、先ずは歪み率と周波数特性ありきで準備したが、残念ながらここから良い音は生まれなかった。

Mejx_2こちらが現在の測定器群で、まるで”jazzオーディオは測定器の奴隷である!”状態になってしまった。一番手前がampテストベンチ、奥右がデータロギングベンチ、奥左がcdテストベンチ、ありとあらゆる測定が可能になり、そんじょそこらのオーディオメーカより測定器は充実している。cdテストベンチではcdジッターメータも完備したから、rf信号からジッタとレベルが測定できる。

Fftx_2本職だったロボットの一番重要事項は振動解析で、fftアナライザで解析したデータからそのロボットシステムの健康状態が手に取るように分かる。画像は安川モータが分布巻きから集中巻きに変更した直後の10kw40極ipmモータのfft解析で、下手な制御をすれば集中巻きはトルクリップルが出がちだがamp工房の20khz電流制御サーボアンプは2f,6fのレベルは小さく合格した。この時はサーボアンプの性能試験で、わざわざ北九州小倉の安川モータまで出向いた。

Spaロボットとオーディオは同義で同じテクノロジーで問題の解決はできる。そこで威力の発揮がfftスペクトラムアナライザとなり、ストレインゲージの圧力センサーを機器各部に貼り付け、水晶粒防振効果の測定を主体に行う。ターンテーブルであればセンタースピンドルにセンサーを貼り付け振動解析を行う。かくして歪み率計からfftアナライザへとオーディオの測定器の主役が交代した。

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2017年9月15日 (金)

構造力学 究極のターンテーブルモータ考察編

Pmプリウスモータは主機モータが60kw(80hp)で補機モータが10kwとなっており、ブレーキ回生モード時補機10kwで発電してバッテリー充電する。”あんぷおやじさん、主機モータの60kwでも良いでよ!”と客先担当者から言われて、”や、止めてください、補機の10kwにします!”サーボアンプの60kwなんてやりたくないし、第一そんなに巨大なモータは持てない。補機10kwモータをバラして、画像のように旋盤加工した巨大なアルミの円筒へ収めた。これをテーブルの上に1人で上げたのだから、昔は力があったものだ。

Bsmxxプリウスモータはブラシレスdcサーボモータで、状態方程式で表すと画像のようになる。いきなり難しそうな数式の登場で数学に弱いあんぷおやじは困るが、深く考えず単純化してみよう。各相駆動電圧={z(インピーダンス)x電流}+逆起電圧、と簡単になる。

Rv 上数式のeua,eva,ewaが逆起電圧であり、補機モータが10kwの逆起電圧は画像のような波形となって汚い。これはネオジ磁石がコアの中に埋められたipmタイプで、リラクタンストルクでも回転するようにしているから仕方がない。

Dqxxx上記式はブラシレスdcサーボモータを3相交流で表しているが、画像のように2軸直流に座標変換して直流で制御するのがdq変換で、指令値の直流電流値とu相v相から生成する帰還直流電流値でpi演算する。sp10ターンテーブル制御アンプも2軸直流のdq変換してこそ、初めてdcアンプとなる。

Sl120こちらがsp10の逆起電圧で磁石がフェライトのリング状で回転中心に対称だから綺麗なサイン波となる。でありますからブラシレスdcモータを使用したddターンテーブルを入手した時は、電源が無い状態で外力でターンテーブルを回し、3相交流の発電電圧を観測し綺麗な3相交流であることを確認しよう。綺麗なサイン波でも3相がアンバランスであればトルクリップルを生じ、ddターンテーブルでは致命傷となる。

Dp80gnこちらがacモータであるエディカレントモータdp80の逆起電圧で、磁気回路のケイ素鋼板に残った残留磁束で微々たる発電をしている。上記式のeua,eva,ewaが基本的に無いから数式においてもacモータは簡単になる。

Acttもうお分かりのように、ブラシレスdcサーボモータは磁石付きの高効率が最大のメリットで電気自動車には必須だが、低速回転が主体で音効率を追求するjazzオーディオのターンテーブルには、やたら複雑過ぎてあまりやりたくないのが本音となる。プリウスモータは補修部品で購入できるから、補機モータが10kwを使って究極のddターンテーブルに挑戦される猛者は?
余談になるが、
ヨーロッパを中心に電気自動車へと、強烈にカーブを切り始めた。化石燃料を止めて、電気自動車にするのは十分に理解できるしそうあるべきと思っている。問題はその電気をどうして作るか?と現状走行距離が短く、サービスエリアの急速充電スタンドは列を成して、その短絡電流にも似た急速充電の電源容量は莫大になり、それをどう高効率に対応できるか?などの問題は多い。やはりトヨタ、ホンダの燃料電池車の低価格化と、どうやって水素を作るか?のインフラ整備を本命にする必要があると思うのだが...まあいいか。ソレックスで固めてオクタン価100を超える怪しい鉛ガソリンを入れて、シグナルグランプリに明け暮れていた昭和の時代は、面白い時代だった。

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2017年9月13日 (水)

千手千眼力学 デジタルオシロスコープ

Senjyu0画像は曹洞宗大覺寺全珠院殿からお借りしました。
檀家でもないし宗教も違うが、ご住職には大変良くして頂いて感謝でありました。1998年のことになるが、全珠院のご本尊の千手観音の造仏に関係する栄誉を賜った。お陰で鎌倉の仏師渡邊勢山先生の工房へ訪れることもでき、写経も観音さま体内に収めることも出来た。担当は開眼式(1998年6月22日)において、一連の流れと和太鼓の林英哲さんの演奏をデジタル録音してcd製作をすることだった。天を突く大太鼓からpa室まではだいぶ距離があり、自前のマイクのセッティングは諦め、paエンジニアのセットしたラインから録ることになった。

Eitetuxxしかしこれが大失敗で、最悪の音質がヘッドフォンモニターで分からなかったのは未熟で、cd製作は水泡に帰した。静岡のa不動産f社長の期待に答えられず生涯に悔いを残し、こと音に関しては無責任な人の意見など聞いてはならず、最後まで自分の手でやらなくてはならないと肝に銘じた。鎌倉時代の仏師・湛慶作の三十三間堂の千手観音坐像よりも大きく、優に千年に耐える千手観音と不思議なご縁ができた。
余談になるが、datと10インチアナログテープの2台をpa控え室に持ち込み、緊張して録音していると背後に並々ならぬ殺気にも似た気配を感じ、それが出演を控えた英哲さんで、緊張なのか?鼓舞なのか?プロフェッショナルだからこその凄さを目撃した。

Oscxxx_2ブラシレスdcモータのサーボアンプは3相インバータとなり、u,v,w各相のゲートドライブはアッパーアームとロアアームで電源が異なり、合計4個のアイソレーション電源を必要としている。このアイソレーション電源をスイッチングで作り、電源の設計能力がインバータ設計能力と表現できるほど重要なウエイトを占める。設計に難しさは付きまとうが観測する方もエラク難儀する。アイソレーション電源だからオシロスコープのgnd共通では短絡を起こし、事故になる。したがって高圧差動プローブを用意しなくてはならないが、Tektronix 高電圧差動プローブなんか軽く10万円を超えて中古のオシロより高い。仕方がないので高電圧差動プローブは1個だけ使い、全珠院のご本尊の千手観音の千手よりは少ないがご覧のようにオシロスコープを3台稼働させ、最大で10箇所を同時観測出来るようにした。

Stamp工房デジタルオシロスコープ群は2現象オシロスコープが2台、4現象オシロスコープが4台、合計6台は20箇所を同時に計測でき、千手千眼デジタルオシロスコープとなった。そして2現象では見えない所は想定しながら作業を進めていたものが全て見えてしまい、遂に短絡現象を捉えた。トランジスタモジュールのアッパーアームとロアアームがショートするのだからたまったもんじゃあなくて、トランジスタモジュールは破壊する。これが現代であればインテリジェントモジュールとなり、エミッタ抵抗で電流を検出してベース遮断するから滅多なことでは破壊しない。

Lc2xx千手千眼デジタルオシロスコープのお陰で手は千本生えたが?眼の千個はこれが中々難しく、眼力は脳と繋がり頭脳明晰というか、悪知恵というか、真理は見ても見抜けない。まあ、焦ることもないが千眼を持ってして世の中とことん見てやろうと思っている。

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2017年9月11日 (月)

レクイエム 9.11

Twin2x_21996年11月、
ニューヨークは既に初冬、ハドソン川のナイトクルーズはフォーマルファッションの必要があり、入り口でエンジ色のジャケットを借りる。船上のディナーショーは滅法洒落ていて生バンドに無名?のボーカリスト、そんじょそこらのjazzボーカリストが太刀打ちできないくらい上手く、アメリカのエンターティナー世界の奥深さを知る。船上から眺めるツインタワーは圧巻で、視界からはみ出すほど大きく美しい。

Riverxマンハッタン対岸ブルックリン橋袂のリバカフェからツインタワーを最後に確認したのは1999年夏のこと、2年後にツインタワーは消滅して、ニューヨークを訪れる理由のひとつを見失った。

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2017年9月 9日 (土)

効率力学 究極のターンテーブルブラシレスdcモータ編

Gneq軸とd軸の電流制御はiqaを通常電流指令値として与え、idaは電流0で制御する。所がidaをマイナス電流制御すると磁束Φfaが減じ弱め磁界となり逆起電力を押さえ込んで高回転させることが出来る。何のことやら?となるでしょうが、プリウスモータを10,000rpmで回転させようとした時...

Honnda_2「横道ですが、ホンダの250ccで6気筒4バルブRC165マシンは18,000rpmまで回し、後の125ccの5気筒マシンは20,000rpmまで回してエンジンの場合は高回転が必須、v8等になりトルクが出て回転数は下がったが、モータで気筒数を増やす概念は今の所無いから高回転は必要。」
...idaをマイナス制御しないと電源電圧の限界から高回転させることは出来ない。その時に邪魔をするのが逆起電力=発電電圧で、ブラシレスdcモータは発電機なのだ。上画像の高効率発電機はブラシレスdcモータを外力で回し発電機としている。磁石付きモータは磁石の力で高効率となるが磁石の力で回転数に制限が起きてしまい、高回転型は効率は落ちるが誘導電動機acモータとなる。

Sp10mブラシレスdcモータを回す場合いやらしいのがこの逆起電圧で、この発電電圧より若干高い電圧がiqa電流制御により自動的に与えられて回転している。sp10を始め各社のddターンテーブル制御アンプのようにハードウエアでやってしまうと、q軸とd軸の電流制御は出来ないから限界がある。現代版cpu制御のターンテーブル制御アンプも、このハードウエアをソフトに置き換えただけだから、これも役不足。

Sl120sp10の発電電圧はご覧のように美しくこれに沿ったiqa電流制御をしないと、モータから高調波振動を発生させddターンテーブルは音が悪い!との烙印を押されてしまう。ddターンテーブルの時代はハードウエアの全盛期で、ソフトウエアの概念が無いからブラシレスdcモータのまともな制御が出来なくて、ブラシレスdcモータの真価が発揮されていないのかも知れない。余談になるが、ブラシレスdcモータ制御の諸先輩方は、d-q軸変換制御をハードウエアでやっていたのだから真に技術力を持ちあわせていたと思う。

Rt考え方は、速度制御pidの制御領域へ入るまでiqa電流制御で加速して、制御領域でidaマイナス電流制御を加え、磁界を弱くして磁石による振動を抑える。効率の良い磁石付きブラシレスdcモータを眺めながら究極のターンテーブルのモータを構想していたら、ブラシレスdcモータ制御の問題点も見えてきて、ddターンテーブルは音が悪いと烙印を押した世界の連中に、あっ!と言わせてやりたい気持ちも生じてきた。

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2017年9月 7日 (木)

遮断力学 継承されないターンテーブル用モータ

Maxon画像出展:maxson
n大のt橋研究室へ通っていた頃良く使っていたmaxsonのブラシ付きdcモータとブラシレスdcモータで、小型で品種が豊富で研究室なんかで好んで使われている。tg(タコジェネレータ付き)やpg(パルスジェネレータ付き)もあるから、教材用ロボットや位置決めシステムのサーボモータには打ってつけ。確かに回転速度は変わり、tgがあれば速度制御も出来る。

Dr2サーボアンプはpwmが50khz以上で確かに可聴帯域は外れている。但し回転精度は記載されていないから常識的に1%とするとddターンテーブルには使えない。これをベルト駆動にして、仮に20:1とすれば1%/20=0.05%でベルト駆動ターンテーブルには使える。現実にこのモータとサーボアンプを使った著名なターンテーブルがあり、オーディオ用にpwmスイッチングや磁石付きのモータシステムを、問題視していないところが問題!

Lp1 次は250rpm Synchronous Motorでモータを設計しているから良く分かるが、モータの直径がΦ50mm程度で24極が出来る訳が無い。シンクロナスモータの24極の回転数はn=(2x50hz/24)x60sec=250rpmとなり、画像のモータがそれ。

Cpmxxxこのマブチモータみたいなブリキ細工で著名なベルト駆動ターンテーブルを作っているから驚きで、フィリップス製の同じモータをイギリスrsで£42.29で売られていたから、現レート142円を掛けると6,000円と決して安くは無い。

Pm2このモータの原文「Particular attention has been given to the magnetisation of the 24 pole rotor to optimise smooth running. This, together with the high accuracy ofstator pole placement minimises torque ripple and provides low audible noise.」から察するに、磁石付きとなれば板金細工のクローポール同期モータで、何とかソンの掃除機や柱時計ならまだしも、とてもじゃあないがオーディオ用には使えない。

Sp10日本の磁石付きddターンテーブルは音が悪いと烙印されてしまったようだが、少なくともモータは随分と立派なddモータを各社開発していた。この時にモータの振動や磁石付きモータの問題点をターンテーブル開発者は学んだはず?にも係わらずベルト駆動だからと平気で磁石付きモータやpwmアンプを使っている現実は、遮断力学で継承されないターンテーブル用モータとなる。

Rtm画像はamp工房開発のベルト駆動ターンテーブル用のリラクタンストルクacモータで、予算が無いとゆうことで金型はそのまま使い、巻き線をac24vに設計変更、精密サイン波25hz駆動している。このモータの開発は世界の現状を知れば感謝されてしかるべきだが、遮断力学で現代エンジニアには理解が及ばないのか、さして感謝されなかった。これに懲りて2度とオーディオメーカのターンテーブルの開発はやらないと決めた。

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2017年9月 5日 (火)

泥縄力学 ワウ・フラメータ

180ax画像はLINN SONDEK LP12 のワウフラ測定状態で、ワウフラ0.1%、周波数誤差12hzと悪いデータが出ても驚かなくなっていた。長年様々な開発に携わってきたがカタログ値と測定値に結構差があるのは、ワウフラ測定が筆頭に思う。理由は測定方法に問題があり、ワウフラを測る場合パルスジェネレータ出力と、専用レコードの3khzを測る場合でだいぶ違う。勿論パルスジェネレータ出力の方が良い。専用レコードの場合センタースピンドルの勘合具合で0.01%位は直ぐに変わるから、マランツの立会い時には神の手を使い、レコードの端面をコンコンと叩くと0.03%のチャンピョンデータが出て、担当者を喜ばせる。

617p_2もう4ヶ月も難航している修理業務があり、モータ回転が可能になったものだからパルスジェネレータ出力でワウフラを測定しようと、愛用のmeguro mk-617を引きずり出した。所が入力を入れてもモニターランプが点かず、これはエライことだ。慌てて殴る蹴るの、いや、あっちこっち叩くが反応は無く、仕方がないので泥縄力学で急遽修理をすることにした。入力opampのアナログ回路は正常、デジタル側が全く動作していない。調べると3端子レギュレータのロジック用+5vがイカレていた。珍しい故障で直ぐに交換し完了した。

617文面では随分と楽そうだが実際は昨夜の12時から今まで掛かり、完全オールナイトになってしまった。回路図やドキュメントの無い場合にはシステム構成を読んで手探りの修理で時間は掛かる。このmeguro mk-617は、デノンのcdj3700開発時にデノンと測定環境を合わせる為に購入し、最小単位が0.01%もある優れもの。

615長年使ってきたmeguro mk-615は質実剛健の安定感抜群のワウフラメータで、30年近く経つが未だに故障は無い。

6100ミナトエレクトロニクスのmodel6100はデジタル表示重視でアナログメータはおまけのグリコ、精度は0.01%が出せて細かい数値を読みたい時は活躍する。ターンテーブル開発は本業でワウフラメータは合計4台持っているが、常用はmeguro mkになってしまい、計測器の場合勿論測定精度は最重要だが、計測器の醸し出す雰囲気も重要なファクターになる。

927ここからワフフラの怖い実態。
画像はemt927の測定状態でワウフラ0.056%、周波数誤差1hzとamp工房で測定したターンテーブルではトップクラスの成績。kenwoodのfl-180aは機能不足でプロ用にはちょっとだが、傾向を測るときは簡単操作で多用する。通常はwtdのrmsを使いワウフラ値をかなり平均化して表示する。これで開発者もユーザーも安心するのだが、これをun wtdにすると0.3%のレンジでもオーバーすることがあり、更にmk-617なんかのピークモードにすると、青ざめるデータになる。もうターンテーブルもお終いの時代だから、究極のターンテーブルではwtdは使わずレコードの回転精度の実態を明らかにしようと考えている。

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2017年9月 3日 (日)

振動力学 究極のターンテーブル速度センサー編

Dp80もう17年も前になるが、dp80エディカレントモータを設計したモータ先輩に当時としたら考えられる究極のターンテーブルを設計してもらったコトがある。画像はその図面で、teacマグネフロートTT tn80cやテープデッキa4010の設計者の経験則がものを言う設計で、勿論acモータはエディカレントモータだった。先輩はとうにリタイアしており、あんぷおやじが根底の思想を引き継ぐ役目になっているが、しかしこの17年間にオーディオ思想に水晶粒防振構造とゆう激変があり、モータのみエディカレントモータであるべきと引き継いだ。

Pgxxさて、幾ら計算してもワウフラ0.05%が出ない論拠だが、0.05%を出すには0.01%の量子化幅(1/10000=13~14bit)を出す必要がある。画像のようなステンレスコードホイールを720パルスとしてエッチングで作る。720は360度の倍数でブラシレスdcモータ駆動には便利でそうする。ターンテーブルの場合(1/Tcq)は大きいから速度交差角周波数ωscは500rad/secと決める。サンプリング時間換算で12.5msec、これを10msecとして計算する。33.3333rpmは0.55555rpsでこれに760パルスを掛けると400hzと出る。これは2.5msec毎に速度情報が更新されるコトを意味して速度交差角周波数ωscは500rad/secに対して余裕がある。カウンター1パルス時間を40nsecとして2.5msecでは62500パルス(16bit)と高量子化幅、これならばワウフラ0.01%の量子化幅(1/10000=13~14bit)も出せる。ところが出力のdaコンバータやpwmの量子化幅が原価の関係で8~10bitになり、ここで埋もれてしまう。でありますから究極のターンテーブルでは16bitのdaコンバータを使用しcdと同じにする。この16bit量子化幅を小さくしてもロボットは問題なく動くが、超精密ターンテーブルでは譲れない条件なのだ。
Abse他のセンサーではどうだろうか?一番手に登場がロボットでは必需品のアブソリュートエンコーダで、1回転の分解能はmaxで23bit あり8388608パルスとなる。これを500rad/sec換算すると15bit以上で使える可能性はあるが、Φ30mmのガラス板に23bit印刷してフォトセンサーで検出する構造にチラツキが生じないか疑問は残る。lsbのチラツキが速度制御では大敵で、外乱となってしまう。
1続いてレゾルバ、これはアナログ検出器だからデジタル化の処理が必要となりrdコンバータを使うが、量子化幅は12bit あっても変換精度が±4lsbと悪くギャランティは8bitの精度しかなく使えない。磁気タイプでadコンバータを必要としているものも、必然的に落伍する。
Oisxx画像出展:多摩川精機
インクリメンタルエンコーダでパルスの多いタイプでは120000パルス(17bit程度)があり、これを500rad/sec換算すると9bit程度で使えない。昔は40万パルス/revとゆう凄いインクリメンタルもあったが速度制御に使えない、との記述は何となく理解できる。
Pgttx究極のターンテーブルは究極の速度センサーとなり、m製作所の開発業務で学んだ3次元測定器のイメージに必然的になる。最初に戻り、出力の量子化幅を16bitすると現役のdaコンバータdac712uがあり、内部バッファを使い±10vの出力とする。10v/32767(符号付16bit)=300μv/bitで我らの扱える電圧の限界値に思う。だからこれを24bitだの32bitのdaコンバータにしたら空気中のチリみたいな電圧では、扱う実感が涌かない。Φ650mmアウターロータターンテーブルで水晶粒防振構造にした場合(1/Tcq)は相当に大きくなるから、速度交差角周波数ωscは100~500rad/secと決めて、アウターロータへ彫るピットのサイズと間隔を16bitになるように決める。

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2017年9月 1日 (金)

振動力学 究極のターンテーブル構想編

Nbsx画像出展:nbs
シカゴミーティングを終えて次なる目的地ワシントンdcへ向かう。ワシントン・ダレス国際空港(Washington Dulles International Airport)へ降り立ったのは、後にも先にもこの時だけだった。観光も少々あるが、何といってもアメリカ国立標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)の訪問で、当時は国立標準局 (National Bureau of Standards, NBS) と呼ばれていた。エレベータで地下深くへ降りて行き、無振動の中でのレーザー測長は初めて目にするものであり、超精密測定の世界を垣間見た。この時から精密測長はレーザであるべきと思った。

Sps2「どうやらcdの方がレコードより音が良い...結論になりそうである」のいっとう大きな問題点はターンテーブル回転精度にある。余りにも精度の悪いのがddターンテーブルの速度検出機構で、いくら制御系に現代制御理論を応用してもセンサーから抽出される速度情報に誤差満載ではどうにもならない。画像はsp10の電気角及び速度検出機構でワウフラ0.03%を出せる速度センサーとは思えない。
Dpssp10よりは速度検出周波数の上がったdp80も同様で、磁気印刷の磁気センサー速度検出機構で、ワウフラ0.008%を出せるとは到底思えない。ただ目的はコンシューマ用であり、原価計算上やむ得ない状況は良く理解できる。
Pg0xロボットで多用したステンレス盤をエッチング加工したコードホイールは安い割には精度もまあまあで、マランツとデノンのターンテーブル開発に使用した。このスリットを透過型フォトセンサーで速度情報として拾うのだが、計算していくととてもじゃあないがワウフラ0.05%も出せない。更に、磁気センサーでもフォトセンサーでもいやらしいのが物理現象のヒステリシスの存在で、sp10もdp80もこのヒステリシスにやられて大いに誤差を生ずる。
Sp101その中でもフォトセンサーは比較的ヒステリシスは少なく、精度では有利となる。先に現代制御理論を応用してと記述したが、マランツ開発時の最初は印刷タイプのコードホイールで、matlabでシュミーレートしたオブザーバ機構を使ったがワウフラは全く悪くて、結局はセンサーの高精度化で解決した。計算でとてもじゃあないが出ない精度を、ワウフラ計測でwrms(ウエイテッド・ルート・ミーン・スクエア)とゆう魔法の単位で出せる...だから割烹わかすぎの若旦那のような凄耳の御仁にはバレてしまう。画像はsp10の測定でワウフラ値wrmsで0.1%くらい、これがsp10の実力値でdp80も似たり寄ったり。
Ddmxさて、5軸マシニングセンターを操るロボット仲間のm氏は、潜水艦のスクリュウを加工するような3次元複雑加工を涼しい顔をしてこなしている。m氏との再会は断念していた究極のターンテーブルの再開を意味し、打ち合わせを重ねている。ターンテーブルのモータ構想はアウターロータタイプのエディカレントacモータとして、誘導電動機タイプは見送る。理由は全てにおいて加工精度が保証され自由な発想で究極のターンテーブルが構想できるから。スピンドルもΦ300mm位にして平面メタル摺動機構を考える。
Lz画像出展:wikipedia
いっとう重要な速度位置センサーはアウターロータのΦ650mmに、マシニングでcdのピットと同じように穴を彫り、レーザ測長器で情報を読み取る。あくまでも計算上ワウフラは0.005%を出せるようにしておく。平面度、真円度、外周の振れなど全てミクロンオーダとする。こうゆう無理難題力学にm氏は涼しい顔をしているから頼もしい。
Caliburn世の中には凄いターンテーブルがあるもので、画像のターンテーブルは1700万円もする。モータは米国軍が使用している高精度な最新技術とされているだけで詳細は分からない。しかし我がamp工房チームもオーディオ用モータに関しては米軍に負けるわけにはいかないので、コギングレスの超高精度モータを開発しよう。オーディオ機器において唯一データがモノを言う世界がターンテーブルの世界で、ワウフラ実力値0.01%は存在しないから誰も聞いたことのないそれを出してやれば良い。amp工房開発の対向巻き線トロイダルトランスも純銅電解コンデンサも水晶粒防振構造も、音が良いの悪いのの世界だから”これは俺の音ではない!”と否定されれば、それで終わる。所が唯一データが支配的なターンテーブルでは”これは俺の音ではない!”と否定されても”では、世界に他にありますか?”で論破できる。最初に戻り「どうやらcdの方がレコードより音が良い...結論になりそうである」は、未来永劫レコードの実力値を示さないまま終わることになり、コルトレーンフリークとしてはレコードでしか会えないから何とかするしかない。かくしてm氏と密談しながらとんでもないターンテーブルの開発へと動き出した。

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