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2021年9月22日 (水)

デジタルアンプ pwmアルゴリズムの設計

2109221お呼びが掛かれば何処へでも飛んで行き「何処のウマの骨?」扱いも多々あるが、たいていはサーボ技術で「落とし前」を付けて、客先のエンジニアと意気投合まで持っていく。a化成さんは「何処のウマの骨?」の真逆の対応で、随分居心地が良かった。こうゆう時は見積もり以上の仕事までしてしまい、気が付けば「あさくまのステーキ」で全力疾走していた。見返りはプリウスモータやサーボアンプの解体したものを存分に観察させてもらった。勿論トヨタはモータ工場でありipmの工場でもある。画像は自動車化されたipmで実に素晴らしい。

2109222vcmがpwmデジタルアンプになったのでpwmを設計している。ブラシレスdcモータは「3相の相補pwmで動きますよ!」とルネサスの言いなりに記述して、その通り動けばそれ以上の探求はしない。こっちはdcモータからスイッチング電源のフェーズシフトからスマートグリッドまで、あらゆるpwmを非力なshcpuで作らねばならない。ですから先ずはpwmの設計から始める。

2109223vcmはスピーカだから単相モータになる。ipmは3相しかないからややっこしい。ややっこしいついでに富士のipmから三菱のipmに替えたものだから、ややっこしいの2乗で頭を抱えている。その苦労は別項で。shcpuの相補pwmで単相は勿論駆動できるがデータ更新がw相にセットした時だから、ダミーでw相も入れなければならない。

2109224サイン波駆動はu相よりv相を180度進めれば丁度位相反転となり都合が良い。pwmのデジタル波形では判断できないのでdaコンバータで出力する。u相の出力とv相の出力でbtlアンプを構成する。これで基本のロジックは完成です。

2109225pwmの設計において無駄な動きがあるのが相補pwm、但しこの無駄によりサーボ性能は一番良い。+半サイクルをq1のpwmでやり、q4はオンぱなし。-半サイクルはq3のpwmでやり、q2はオンぱなし。無駄な動きは無いしシンプルで一番適しているが、単にオンオフをするq2とq4のタイミングがクリチカルで警戒を要する。相補で問題が生じた時にはこの方式に切り替える。画像は-の半サイクルでq2とq3が主にオンしている。

2109226各デバイスの動きを机上でつぶさにシュミレーションする。ポイントはvcmコイルに溜まった膨大なエネルギーをどう回生するか、コイルをオンオフした時の電流の動きを読むことが大事です。これは上の-半サイクルpwm波形の手動シュミレーションです。

2109227pwmの全パターンで破綻がないかチェックする。こちらは概ねq1オンとr4オンのサイクルだから+半サイクルと捉える。



2109228こちらは上の+半サイクルの手動シュミレーションで、各デバイスの動きを確認する。これを手動でやるから間違い易いが、pwmのシュミレーションにはお目に掛かったことが無いから仕方がない。

2109229x面倒ですがとにかく何パターンも波形をサンプルしてチェックする。このパターンは+の半サイクルでq1オンのq4オンで電流を流しているが、丸で括った部分が相補pwmなので勝手に動く。動くが+半サイクルには影響が無い。

21092291こ勝手に動き無駄な動きと称したものは、ダイオードが逆バイアスされて次のオンで突入電流が流れノイズを無尽蔵に吐き出す。④がそれで②で逆バイアスされたダイオードを今度は正方向にオンするから短絡電流が流れ、盛大にノイズを発する。

21092292これらの一連の机上シュミレーションは実機で動かす前に十分やっておく。実機になった時は現象が複雑になり問題が生じていても分かり難い。昔は2現象オシロスコープしかないから想定で4個のpwmを判断したが、現在の4現象では完璧に見ることが出来て良い時代になったものです。ただ見るは騙され易く、真実を見抜くには心眼とゆうことでしょうか。

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