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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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