n_shinichi’s blog

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130モータ、3相ブラシレスモータ改造、 スタックチャンの3相インバータで正弦波PWM制御でテスト

先のインバーター紹介では130モータ改造3相ブラシレスモータを

60度ステップで180度通電で動かすの紹介しました。

 

130モータの構造は、教科書などによく出てくる基本の3相モータ構造です。

2極モータなのでよく図解の説明で出てくる回転磁界・・・

よく・・・は出てこないかな?

一般には120度通電の紹介の方が多いかと思います。

それだと常に1相は使ってないのでちょっと乱暴だけど

 単純計算では本来のそのモータの出力の2/3しか発揮できてない。

ただ制御はセンサレスで簡単に制御しやすいので小型モータ

 ドローンとかでは多い制御方式です。

ただ・・・そのまま簡単に60度でON,OFFのベクトル変えていくだけだと

 モータはカクカク回ります。

 この辺はちゃんと説明してるサイトって割と少ない気がする。

 

こちらは60度でカクカク動く・・・です。

 

 

自動車用とかではできるだけ小型で高出力にしたい方の優先度が高く

 モータがでかいのでセンサのコスト比率も下がるので

回転センサを付けて180度正弦波PWMが普通です。

 先回は180度通電のPWM変調なしの制御です。

以前説明したように本来?なら一般には使われない制御状態です。

 電圧が制御できないので。

 高速のある領域だけ使われます。

 

ただ、積極的に使う方法でPAM方式と言うもので

全体のインバータでの動作電圧自体を前段の昇圧コンバータでちょうど

 逆起電圧とバランスを取って出力を出す・・・なんてのもあります。

 

昔・・・トランジスタ、 パワーMOSFETや、IGBTのスイッチング速度が

 遅くスイッチング損失が大きい時はよく使われてました。

 昇圧コンバータはスイッチング損失を減らす工夫が何かとしやすいので

 スイッチングの負担は昇圧コンバータに任せて。です。

 トヨタのTHSⅡも近い動作ができます。けっこう特許も出てた。

今ではスイッチングが速くなったのであまりやらなくなりました。

 

今回はセンサレス・・・電圧範囲、モータの仕様がわかってて

 限定した動かし方なのであらかじめ必要十分なPWMにして

 正弦波PWM制御で回しててみました。それがこちら。

 

どうでしょうか。先回に比べるとずっと滑らかに回ってます。

 

モータの磁束分布が滑らかな正弦波分布にならんとか

 平等磁界中にない。。。とか

 必要十分な電流に絞ってるので不均一なフリクションとか・・・

 などで電圧だけ正弦波変調を掛けて見かけ上、一定回転電界・・・

 回転磁界ベクトルを掛けてるつもりでも定速ではうまく回らないです。

 

それでも自動車用の大きなモータとかだと、磁極分布が滑らかに変化する

磁気回路設計、慣性が大きいとか・・・正弦波PWM掛けるとフツーに

滑らかにゆっくり回せます。

 

 

 

 

 

 

130モータ、3相ブラシレスモータ改造、 スタックチャンのインバータ制御でテスト

 

これまでにもよく紹介してきたBL113を3つ使っての3相インバータが

 できたのでスタックチャンにテストしてもらいました。

先日紹介した手回しインバータのマイコン制御版です。

 

 

動画の中でも適当にうんちく付けたですがまだ大したことやってない。

 これはまだオープンループで60度ステップベクトルでの

 180度通電制御です。

 それもPWM制御で電圧を調整もしてない。

 EV自動車用のインバータ制御でいうところの矩形波制御にあたります。

 電圧利用率としては最大になります。

 でも実際のHV車や、EV車ではこの動作モードはあまり使われません。

 電流の調整ができないので出力の調整がまともにできないから。

 

でも・・・

 初期型のプリウスでは使われてました。

 高速道路などで高回転の時など。それもいまではあまり使われない

 領域動作になる弱め界磁を併用で。

 出力の調整のなかった初期型、昇圧コンバータのないTHS方式では

 288V標準のバッテリーで動かしてました。

 およそ主要動作領域・・・一般の街乗りでいい感じの

 モータ駆動になるようにしてたので高速道路などではつらかった。

 

 素直にモータ駆動しようとしても高回転が出せない。

 で、どうしてたかと言うと弱め界磁です。

 専門用語で言うところのd軸電流流す・・・です。

 ベクトル制御での磁石の磁束方向の逆磁束が発生する成分のベクトルを

 混ぜた電流通電をインバータ制御で行います。

 すると、等価的に弱い磁石のモータのような特性になります。

 そうなると、逆起電圧が小さくなります。

 で・・・モータから電流を流し込めるようになります。

 でー・・・高回転も回せるようになります。

 回せるには回せるけど磁石を弱める作用の電流を流しながらなので

 トルクは小さく、出力は低下します。無駄な電流を流すばかりで

 残念な感じになる。

それが続くと・・・無駄な電力使って発電させて、燃費が悪化、

 モーターは過熱、インバータが過熱・・・

 初期型ではカメさんマークがメータに出てました。

 出力低下のサインです。パワーダウンします。。。です。

 

THSⅡ ではそれを改善するのに昇圧コンバータが導入されました。

 288Vバッテリー電圧を630Vとかに昇圧です。

 これで待ち乗りから高速道路までいい感じのモーター制御が

 できるようになりました。

今ではデンソートヨタプリウスの他にもたくさんの

 インバータシステム製品ありますが 

初期の頃はデンソーはHV車の主機電力系の製品は担当してなかったんです。

 初の参入がインバータではなくレクサスGS450hの昇圧コンバータからで、

 その設計をやったんです。それまで昇圧コンバータ、インバータ、

 それなりに設計したことあったけど、100kWクラスの昇圧コンバータは

 初めてだった。もう20年以上前若い時の話。。。

 

脱線してた・・・

 

一般のESCなどでは3相ブラシレスモータの制御は120度通電が多いけど

 ほんとはちょっといろいろあるけど単純にはそれより1.5倍電圧の利用率が

 高いです。

 

BL113のインバータ製作・・・製作はちょっと大げさかな

 その備忘録してなかった・・・のでまたそれはまた今度・・・

 

こちらは先日紹介した、手回しインバータでの動作テスト

 スタックチャンがやってることはこれのマイコン制御です。

 

130モータを3相ブラシレスコアレスモータに改造して手回し3相インバータで回す

先回は130モータの巻線のままブラシレスモータに改造して

 インバータで回しました。あれだと起動電流は単純通電だと一瞬1A以上流れます。

 デルタ結線で線間は1Ω程度しかないので。

 コギングトルクも結構あるのでそれを乗り越えるためにも大きな起動電流が

 必要です。

電池で動かす時など一瞬そんな大きな電流が流れますが適正負荷ならすぐ回転速度が

上がり、逆起電圧が上がって1.5Vで0.5A以下程度になります。

 

 モータのサイズ感、後でNゲージで機動車、Bトレをさらに小さくして・・・

 で動かすなら出力は0.1Wもあれば十分なのでマイコンポートで駆動できるレベルです。

 

ざっと計算してみるとなんとか130モータベースで

 コアレスの3相ブラシレスモータにすればNゲージで走らせれそうな算段になります。

 

で、割と電子工作ではレアもの感のあるモノでちょっ技術的にも難易度高い...かな?

 なのでやってみよう思って作ってみた・・・です。

 

今までモータは仕事でも車載用の設計したり、手作りモータも

 いろんなの作ったですがちょっと難易度高い・・・かな。

  マイコンポートで駆動しようとしないならなんてことないんんですが。。。

 

当たり前と言えば当たり前なんだけど量産品のモータ設計とかは

 あまり難しいことはないです。というより難しいことはやらない、

 やっちゃいけない。確立された技術の範疇で確実に品質信頼性のあるもの

 設計しなくちゃいけない。ただレース用のモータ設計とかが多かったので

 攻めてる方ではやってたけど。

 

また脱線だけど攻めすぎてとんでもないことになった経験、思い出した。

 もう30年ほど前トヨタインディーカーCARTレースでのその時は

 小型高出力のイグナイター、インジェクタードライバー設計してた時のこと。

こんなレーシングカー。

 

そう。。。 若かったな・・・すっごい大失敗したのでした

  いっぱいいろんな人に迷惑かけた。

   すっごい反省した。

ホンダのイグナイターはTDKが作っていて、それよりずっと小さいのが自慢

 だった。

特許も出した、ちょっと自慢のスイッチング回路だった。

 当時はまだあまり世の中にまだ量産モノではでてなかった

 ソフトスイッチングのインターリーブ制御使ったもの。

 マイコン使わずアナログと74HCで組んだ回路だった。

 

 エンジンの仕様とかレギュレーションで決まってるので

 イグナイターとかも必然的に出力がおよそみな同じになる。

 

ロサンゼルスとかのレースサポートで出張で行って、

 ホンダのピットでカウルを外してイグナイターが見れるチャンスで

 写真そばで撮らせてもらったんだけど、サイズが後でわかるように

 ペンを並べて写真撮ってたら怒られた・・・の覚えてる。

 

あれ・・・なんの話だっけ・・・

 あー攻めたらの話。  そのレース製品重量を何g以下にするってのが

 あって実際に作ったらちょっとオーバーしてた。

 で、、、モールドをこっそり少なめにして 重量クリアさせた。

 トランジスタの放熱に必要なんだけど...軽くしたら熱的に持たなかった。

 でもってレースでぼくの設計したそれが壊れた原因でリタイヤした。

ものすごーく怒られた。報告書いっぱい書いて対策案やらいろいろ。

 でも仕事はすごくやりがいあって楽しかった。

 

それからすると量産のハイブリッド車のインバータとかの設計は

 楽しいものではなかったかな...技術的に難しいとこにチャレンジじゃなくて

 いかに安くても高品質なものにするか・・・とか次元の違う難しさだった。

 でも、量産された時の街走ってる車に自分の設計したのが載ってるってのは

 これまた格別な達成感があったりしたものだけど。

 

あー なんの話 書いてたっけ・・・

  いつのまにか備忘録じゃなくて思い出話録だ...

 

話戻して、、、

ESP32のポートで動かすなら40mAくらいがおよそ最大。

電圧も3.3Vでいきたい・・・この電圧、電流の縛りが厳しい。。

でもって磁極が1極対しかない。これが磁界のバランスとれなくて

磁極間が遠いのできつい。制御ベクトル的なことがちゃんと実機に現れない。

 

電磁気学的には・・・理論的に だと、q軸に電流流すのが最大トルクなんだけど

 それは理想的な平等磁界中の話なのでこの場合、

 電気角的にはd軸に近い、、、磁石の極と巻芯が近づいたとこが

 最大トルクになる感じになる。

 

今回はΦ0.1線でおよそいける計算になったので作って見たのがこちら。

 

 

 

 

これは元はモータのケース だけど今回の使い方、ブラシレスモータに改造してでは

ローターになる。

 

でもって回してみたのがこちら

 

そう言えば普段、使ってることばそのまんまで動画の中でも

うんちく書いてて あー って思ったこと...

 

透磁率、空気とか透磁率ゼロなるんで空芯コイルはいっぱい巻いて

 って言っちゃうんだけど間違ってますね・・・

 鉄に比べたらすっごい小さいけどゼロではない。

μ0=4π×1071.26×106N/A2

磁界の強さHと磁束密度Bとの関係は、

 物体の磁化のしやすさμ(透磁率)を用いB=μH

 

透磁率ゼロだと磁界をいくら強くしても磁束密度は0ですね。。。

 

自分の場合

実際のモーター作る時、コンバータ作る時のコイルの設計なんかは

 最初の最初で材料決めたら、透磁率決めたら・・・あとはAL値。

 状、ギャップとかでALが決まるので

 起磁力ATの方が何かとよく使う。 
 AL値は『インダクション係数』や『AL-value』と言われるもので

 巻き数の2乗とAL値掛けたらインダクタンスが計算できるというものです。

 インダクタを設計するんじゃなかったらこの辺りは知らなくても

 いい かな。

 

 

 

Kariya Micro Maker Fair ちらし、倒立振子スティックくん ライントレーサースティックくん が載ってる

チラシです。

 

入場料無料です、ご都合の作方は遊びに来てください。

会社の工作クラブDMCでやってるマイクロテックトイチームでも

長机1つ使わせて頂けるそうでここ最近ブログで紹介したものとか、

いろいろ展示してみようと思います。

東京メイカフェアと違って

自宅から車で5分なのでいろいろ運びやすいので。

でもってトークイベントにも出ることになってます。

 

好きなこと喋ってもらって問題ないって言われてる・・・けど、

 自分はほっとくと脱線おしゃべりが止まらないので

  司会の人が適当にブレーキは掛けてくれると思うけど。

    ほんとは人前では喋るより、歌う方が好きなんだけど・・・

 

喋り出すとすぐ脱線する癖は直らない。

 会社の講習ごとで講師してて時間枠で資料の2/3しか話してない。。。とか

 そういうのよくある。

 

 

130モータ型3相コアレスブラシレスモータ製作しよう その0

手作りコアレス、ブラシレスモータ、製作途中の紹介してなかったので・・・

これは3D印刷データ

 

こちらは形状設計  Fusion360

 

 

でもって印刷したステータ、と適当なΦ2のシャフト
 手持ちのモノはちょっと長かったけど...

 普通のDCモータ-で使う場合はローターになるのですが。。。

 

フツーのモータのロータ 右 と

 コアレスブラシレスモータになるので 左はステータ です。

 コアレス・・・といってもなんか微妙 なのが

 電磁機的 電磁気的 にはコアレスだけど

 巻線のためのコア、芯にはなってるわけで・・・

 

 

 

1相巻いたところ  Φ0.1のポリウレタン線、300T巻いてます。

元の130モータがΦ0.2のエナメル線75Tなので

線径が半分になれば単純計算では4倍巻けるのでちょうどその関係です。

抵抗は単純計算では断面当たりで4倍になり、長さで4倍・・・2乗で効きます で、

16倍。。。ってなりそうなもんだけど占積率比率低下で長くなり、

被覆率もふえるので抵抗はもっと高めになり約50Ωくらいになります。

 

2相目巻いたところ

 

3相目巻いたところ  で、巻線は出来上がり

 

 

 

ターミナル部品をつけるとこんな感じ

 コミュテーター、巻き線回転子作る場合は

  整流子作る時は真鍮パイプを縦120度毎切込みカットしたのを

  エポキシで固めて、一体部切り離して・・・面倒だったりです

  モーター好きになるとここを手作りで作って見たくなるんですが。

  (古いモータの外して再利用が当然早いです・・・

 

絡げて配線しやすいように。

 

 

 

アウターローター・・・・130モータのケースを組んだら

 こんな感じです。

 

130モータ型3相コアレスブラシレスモータ製作しよう その1

3DP製樹脂ボビンにΦ0.1線300T、簡易コミュテータ風ターミナルに

Y結線仕様で製作した自作ロータ型・・・だけど実はブラシレスモータのステータ。

何言ってんのかわかんない・・・かな。

 

先回まで130モータを3相ブラシレスモータに改造するのを紹介してきました。

 

n-shinichi.hatenablog.com

 

でもあれは、130モータの巻線はそのままにとりあえずブラシレスモータ化

したもので回るには回るけど後々融通が利かないです。

 

130モータの巻線はΔ結線方式です。

低い電圧で電流をしっかり流して・・・なモータには向いてます。

 作りもちょっと簡単。Y結線より。

 

でも効率が悪い・・・循環電流が流れます。

 1極対、ステータ3極だとどうしてもアンバランスでやすい。

 平等磁界中で理想的な回転磁界だけなら循環電流は流れないですが

 デルタ結線では輪になって短絡状態なので相間で

 わずかな電位差が発生すると

 けっこう大きな循環電流が流れてます。

 

それに常に何がしか電位が固定される関係で、開放状態の端子がないので

 誘起電圧を検出してインバータ、ESCで回すというのは簡単ではありません。

 ドローンモータなどのESCで回すタイプはY結線方式で

 一般的なインバータ方式は

 120度通電ベースの簡単な構成で常に開放された1相の端子から誘起電圧を

 検出してロータの回転位置推定を行って同期制御しています。

 それがデルタ結線ではちと難しい。

 

等々あるので電子制御しやすく、効率のいいY結線方式の130型

 3相ブラシレスモータにしてみます。

 

話脱線だけど、、、

以前、紹介してない・・・かな な やつで

 130型モータの鉄心、コアはそのまま使ってY結線にして細いΦ0.1線で

 巻いたの作ったことあります。

 

ちょっとわかりにくいですが 

 右はオリジナルの130型モータのロータ  デルタ結線

 だいたいΦ0.2mmの線で75Tくらい、約2m分まいて1Ω@1相間 程度のが多いです。

 

 左は130型モータのロータの巻線を変更  Y結線

 Φ0.1mm巻き線で300T巻いてます。 約50Ω@1相間

 Y結線、コミュテーターのとこに1本づつしか繋がってないのが特徴です。

  普通の130モータ、Δ結線は2本になります。

 Φ0.1仕様の方は抵抗相間が高いだけでなくY結線なのでさらに相当たり電圧は

 小さくなります。さらに誘起電圧、逆起電圧も高くなるので非常に低回転

 で微小電流になります。。。細かいこと忘れたので

 またいつか組んで特性紹介しようと思います。

 確か、1.5V~3Vくらいで回してる時、誘起電圧が高いので消費電流は

 無負荷時はわずか20mA程度って感じでした。

 

 工作用のソーラーモータに負けない微小電流です。 が、、、

 コギングトルクは大きいままなので5Vくらい掛けないと確か起動できない。

 電流が20mA程度の割にはトルクは大きいモータになります。

 マイコンポートで十分駆動できる電流なんだけど起動電流が流せない。

 

脱線で

 ちょいと時間遅くなったので

 3DP製、コアレスモータ化の方

 次はまた今度・・・

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

130モータの3相ブラシレスモータ改造&インバータ駆動 できた♪ その2

先回の130モータはエンドベルがついてないのでちょっと

 カッコ悪い・・・感じだったので

 

ちゃんと エンドベルを付けて回すようにしてみた。

 

これなら、パッと見た感じでもちゃんと?130モーター

 ただ普通はDCモータの2本線繋ぐところにRGB3本の線が出てるのだけど。

 

 

中の本来の回転子・・・ロータはステータになるので

 コンミテータのところに3本の配線が付いてます。

 

一応、先の手回しインバータで回ってはいるけど

 この結線では必要以上に電流が流れてます。

 小型のDCモータでは多いデルタ結線になってるので。

 これは小さな電圧の時は電流を多く流したい時には都合がいいです。。。が

 循環無効電流が流れたりセンサレスブラシレスモーター制御がしにくいとかで

 大きなモータには使われないです。

 

ただ小さなモータもブラシレスモーター化が進んできたので

 120度通電で誘起電圧検出する都合などY結線が多くなってるけど。

今時?のドローンモータなどのブラシレスモーターは

 たぶんほぼみんなY結線、スター結線です。

 自動車用のEV,HV用のモータもほとんどがY結線です。

 

 

なので。。。

 今回のは130モータ巻き線そのままで

 デルタ結線でブラシレスモーター化してみた・・・です。

 Y結線、デルタ結線、どちらもインバータでは回転磁界ができることには

 変わりないのでちゃんと回ります。

 

ブラシレスモーター化してマイクロロボで使う都合

 低回転高トルク、できればマイコンポート駆動電流能力ぐらいでの

 モータ仕様にしたいので巻線・・・ステータはちょっと違うの設計して

 みます。

 

鉄心・・・コアがあるとコギングがあるので

 大抵マイコンポート駆動にしようとするとコギングトルクが乗り越えられない

 ので以前も紹介したコアレスモータのロータを作ってみます。

 でもって巻線も細くしてターン数を増やし微小電流でATを稼ぐ格好に。

 そうすると誘起電圧は高くなるので高回転は全く回らなくなります。が、

 微小電流でそこそこトルクが出て極低速から回すことができます。

 

1年ほど前のおぼえですが こんな感じ

n-shinichi.hatenablog.com

 

その時のコアレスモータ化の設計製作はこんな感じです

n-shinichi.hatenablog.com