JAJU919 December   2023

 

  1.   1
  2.   概要
  3.   リソース
  4.   特長
  5.   アプリケーション
  6.   6
  7. 1システムの説明
    1. 1.1 用語
    2. 1.2 主なシステム仕様
  8. 2システム概要
    1. 2.1 ブロック図
    2. 2.2 設計上の考慮事項
    3. 2.3 主な使用製品
      1. 2.3.1 TMS320F2800137
      2. 2.3.2 MSPM0G1507
      3. 2.3.3 TMP6131
      4. 2.3.4 UCC28881
      5. 2.3.5 TPS54202
      6. 2.3.6 TLV9062
      7. 2.3.7 TLV74033
    4. 2.4 システム設計理論
      1. 2.4.1 ハードウェア設計
        1. 2.4.1.1 モジュール形式の設計
        2. 2.4.1.2 高電圧降圧補助電源
        3. 2.4.1.3 DC リンク電圧検出
        4. 2.4.1.4 モーター相電圧のセンシング
        5. 2.4.1.5 モーター相電流のセンシング
        6. 2.4.1.6 外部過電流保護
        7. 2.4.1.7 TMS320F2800F137 の内部過電流保護
      2. 2.4.2 3 相 PMSM 駆動
        1. 2.4.2.1 PM 同期モーターのフィールド オリエンテッド コントロール
          1. 2.4.2.1.1 空間ベクトルの定義と投影
            1. 2.4.2.1.1.1 ( a 、   b ) ⇒ ( α 、 β ) クラーク変換
            2. 2.4.2.1.1.2 α 、 β ⇒ ( d 、   q ) パーク変換
          2. 2.4.2.1.2 AC モーターの FOC 基本方式
          3. 2.4.2.1.3 回転子フラックスの位置
        2. 2.4.2.2 PM 同期モーターのセンサレス制御
          1. 2.4.2.2.1 位相ロック ループを備えた拡張スライディング モード オブザーバ
            1. 2.4.2.2.1.1 IPMSM の数学モデルと FOC 構造
            2. 2.4.2.2.1.2 IPMSM 向け ESMO の設計
            3. 2.4.2.2.1.3 PLL による回転子位置および速度の推定
        3. 2.4.2.3 弱め界磁 (FW) および最大トルク / 電流 (MTPA) 制御
        4. 2.4.2.4 モーター駆動のハードウェア要件
          1. 2.4.2.4.1 モーター電流帰還
            1. 2.4.2.4.1.1 3 つのシャント電流センシング
            2. 2.4.2.4.1.2 1 つのシャント電流センシング
          2. 2.4.2.4.2 モーター電圧帰還
  9. 3ハードウェア、ソフトウェア、テスト要件、テスト結果
    1. 3.1 ハードウェアの概要
      1. 3.1.1 ハードウェア ボードの概要
      2. 3.1.2 テスト条件
      3. 3.1.3 ボードの検証に必要なテスト機器
    2. 3.2 GUI の概要
      1. 3.2.1 テスト設定
      2. 3.2.2 GUI ソフトウェアの概要
      3. 3.2.3 シリアル ポートの設定
      4. 3.2.4 モーターの識別
      5. 3.2.5 モーターの回転
      6. 3.2.6 モーターのフォルト ステータス
      7. 3.2.7 制御パラメータの調整
      8. 3.2.8 仮想オシロスコープ
    3. 3.3 C2000 ファームウェアの概要
      1. 3.3.1 ボード テストに必要なソフトウェアのダウンロードとインストール
      2. 3.3.2 CCS でのプロジェクトの開始
      3. 3.3.3 プロジェクト構造
      4. 3.3.4 テスト方法
        1. 3.3.4.1 ビルド レベル 1：CPU とボードの構成
          1. 3.3.4.1.1 CCS を起動し、プロジェクトを開く
          2. 3.3.4.1.2 プロジェクトのビルドとロード
          3. 3.3.4.1.3 デバッグ環境設定ウィンドウ
          4. 3.3.4.1.4 コードの実行
        2. 3.3.4.2 ビルド レベル 2：ADC 帰還を使用した開ループ チェック
          1. 3.3.4.2.1 CCS を起動し、プロジェクトを開く
          2. 3.3.4.2.2 プロジェクトのビルドとロード
          3. 3.3.4.2.3 デバッグ環境設定ウィンドウ
          4. 3.3.4.2.4 コードの実行
        3. 3.3.4.3 ビルド レベル 3：閉電流ループ チェック
          1. 3.3.4.3.1 CCS を起動し、プロジェクトを開く
          2. 3.3.4.3.2 プロジェクトのビルドとロード
          3. 3.3.4.3.3 デバッグ環境設定ウィンドウ
          4. 3.3.4.3.4 コードの実行
        4. 3.3.4.4 ビルド レベル 4：完全なモーター駆動制御
          1. 3.3.4.4.1 CCS を起動し、プロジェクトを開く
          2. 3.3.4.4.2 プロジェクトのビルドとロード
          3. 3.3.4.4.3 デバッグ環境設定ウィンドウ
          4. 3.3.4.4.4 コードの実行
          5. 3.3.4.4.5 モーター駆動 FOC パラメータの調整
          6. 3.3.4.4.6 弱め界磁および MTPA 制御パラメータの調整
          7. 3.3.4.4.7 電流センシング回路の調整
    4. 3.4 テスト結果
      1. 3.4.1 負荷および熱のテスト
      2. 3.4.2 外部コンパレータによる過電流保護
      3. 3.4.3 内部 CMPSS による過電流保護
    5. 3.5 新しいハードウェア ボードへのファームウェアの移行
      1. 3.5.1 PWM、CMPSS、ADC モジュールの構成
      2. 3.5.2 ハードウェア ボード パラメータの設定
      3. 3.5.3 フォルト保護パラメータの構成
      4. 3.5.4 モーターの電気的パラメータの設定
    6. 3.6 MSPM0 ファームウェアの概要
  10. 4設計とドキュメントのサポート
    1. 4.1 デザイン ファイル
      1. 4.1.1 回路図
      2. 4.1.2 部品表 (BOM)
      3. 4.1.3 PCB レイアウトに関する推奨事項
      4. 4.1.4 Altium プロジェクト
      5. 4.1.5 ガーバー ファイル
    2. 4.2 ソフトウェア ファイル
    3. 4.3 ドキュメントのサポート
    4. 4.4 サポート・リソース
    5. 4.5 商標
  11. 5著者について

2.4.2.1 PM 同期モーターのフィールド オリエンテッド コントロール

より優れた動的性能を実現するには、より複雑な制御方式を適用して PM モーターを制御する必要があります。マイクロコントローラがもたらす数学的処理能力により、PM モーターのトルク生成と磁化機能をデカップリングする数学的変換を使用した高度な制御方式を実装できます。トルクと磁化をデカップリングするこのような制御は、一般的に回転子フラックス オリエンテッド コントロール、または単にフィールド オリエンテッド コントロール (FOC) と呼ばれます。

図 2-8 に示すように、直流 (DC) モーターでは、固定子と回転子の励磁は別々に制御され、生成されたトルクとフラックスは別々の調整が可能です。界励磁の強さ (たとえば、界励磁電流の大きさ) によって、フラックスの値が設定されます。回転子巻線に流れる電流によって、生成されるトルクの大きさが決まります。トルク生成において特に興味深い役割を果たすのが、回転子の整流子です。整流子はブラシと接触しており、機械的構造上、最大トルクを生成するように機械的に整列された巻線が回路に切り替わるように設計されています。この配置によって、機械のトルク生成は常に非常に高いレベルに近い状態になります。ここで重要なポイントは、回転子巻線によって生成されるフラックスが固定子磁場と直交するように巻線が制御されていることです。

GUID-20210322-CA0I-RSND-55MC-F3KNKN9SBK57-low.svg図 2-8 フラックスとトルクが別々に制御される DC モーター モデル

同期機と非同期機の FOC (ベクトル制御とも呼ぶ) の目的は、トルク生成成分とフラックス磁化成分を別々に制御できるようにすることです。FOC 制御を使用すると、固定子電流のトルク生成成分とフラックス磁化成分をデカップリングできます。磁化のデカップリング制御を行うことで、固定子フラックスのトルク生成成分は独立したトルク制御として考えることができるようになりました。トルクとフラックスをデカップリングするには、いくつかの数学的変換を行う必要があります。マイクロコントローラが最も価値を発揮するのがこの部分になります。マイクロコントローラによる処理能力によって、このような数学的変換を非常に高速で行うことができます。これは、モーターを制御するアルゴリズム全体を高速で実行できることを意味し、より高度な動的性能が実現できるのです。現在では、デカップリングに加えて、回転子フラックスの角度や回転子の速度など、数多くの量の計算にモーターの動的モデルが使用されています。つまり、効果が考慮されて、全体的な制御の質が向上しているのです。

電磁法則によれば、同期機で生成されるトルクは、式 4 に示すように、既存の 2 つの磁場のベクトル外積に等しくなります。

式 4. τ e m = B → s t a t o r × B → r o t o r

この式は、固定子と回転子の磁場が直交しており、負荷が 90 度である場合に、トルクが最大になることを示しています。 この条件が常に満たされて、フラックスの向きを正しく保つことができれば、トルク リップルが減少し、より優れた動的応答が得られます。ただし、回転子の位置を把握していなければならないという制約があります。インクリメンタル エンコーダのような位置センサを使用すると実現できます。回転子にアクセスできないような低コストのアプリケーションでは、位置センサを排除するために異なる回転子位置オブザーバ方式が適用されます。

簡単に説明すると、回転子フラックスと固定子フラックスを直交させた状態で維持することです。固定子フラックスを回転子フラックスの q 軸に、たとえば回転子フラックスに直交するように合わせることが目標です。そのために、回転子フラックスと直交する固定子電流成分は指令されたトルクを生成するように制御され、直接成分はゼロに設定されます。固定子電流の直接成分は場合によって弱め界磁に使用することができ、回転子フラックスを逆向きにし、逆 EMF を減少させるので、より高速での動作が可能になります。

FOC は、ベクトルで表される固定子電流を制御します。この制御は、時間と速度に依存する 3 相座標系が時不変の 2 座標系 (d 座標と q 座標) に変換される投影に基づいています。このような投影によって、DC 機制御と同じような構造になります。FOC 機は、入力リファレンスとして、トルク成分 (q 座標) とフラックス成分 (d 座標) の 2 つの定数を必要とします。FOC は単純に投影に基づいているため、制御構造が瞬間的な電気量を取り扱います。これによって、あらゆる動作 (定常状態と過渡状態) について正確な制御が実現し、帯域幅に制限がある数学モデルに依存することがありません。これにより、FOC は従来の方式の問題を次のように解決します。

  • 一定のリファレンスに到達しやすい (固定子電流のトルク成分とフラックス成分)
  • (d、q) リファレンス フレームではトルクの式が 式 5 で定義されることから、直接トルク制御が適用しやすい
    式 5. τ e m ∝ ψ R × i s q

回転子フラックス (ψR) の振幅を固定値に保つことで、トルクとトルク成分 (ISq) の間に線形関係が得られます。したがって、固定子電流ベクトルのトルク成分を制御することで、トルクを制御することができます。