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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