The Horologioal Horological Institute 工 of Japan マイクロメカトロニクス ( 日本時計学会誌 )Vol.46 No,1 論文 SPRING DRIVE 電子調速機の制御シミュレーションの開発 * * 豊福篤, 小池邦夫, 高橋理 (2001 年 12

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ありあみうら
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1 マイクロメカトロニクス ( 日本時計学会誌 )Vol.46 No,1 論文 SPRING DRIVE 電子調速機の制御シミュレーションの開発豊福篤, 小池邦夫, 高橋理 (2001 年 12 月 20 日原稿受付 ), 原辰男 Simulationof SPRING DRIX E Governor System AtSushi TOYOFUKU Kunio KOIKE, Osamu TAKAHASHI an (1 Tatsuo HARA SEIKO EPSON CORPORATION ABS RRAσr SPRING DRIVE isa m hanicalwatch, which offers the same levelof accuracy as quartz watches.this special featureis reahzed by a system composed of both mechanical and e1 tricalsubsystems.simulationtechniques,which are effective only in one isolated subsystem,have been used to designit,designers had a demand to take in t(} account the interactions among subsystems to remove the llmitin conventional s ulations.we have apphed a simulation me 七 hod,based on equivalent circuit technique, to the analysis of the complete system of SPRING DRIVE.The simulation results were i 皿 good agreement with measurements.with this validation, the 墨 imulation method made a powerful tool i 皿 design 三 ng and tuning the system as a whole. 1. はじめに SPRING DRIVE は, ゼンマイ, 輪列, 発電機, I C ( デジタル回路, アナログ回路 ) から構成される. このような系 ( システム ) を設計するために, 有限要素法による発電機の磁場解析, SPICE によるアナログ回路の解析などサブシステムごとにシミュレーション ( 解析 ) を行ってきたしかし, 従来のシミュレーションではサブシステム間の相互作用が考慮されず, システム全体の特性を求めるこセイコーエプソン ( 株 )CAE 推進部 392 eooi 長野県諏訪市大和一 10 一

2 とは困難であった. そこで等価回路法に基づくシミュレ r ター SaberDesigner ( Avant! 社製 ) を利用して, SPRING DRIVE システム全体をモデル化しシミュレーションを行った. この方法では, サブシステムのモデルを作成し, それらのサブシステムのモデルを組み合わせることにより, システム全体の特性を求めることができる. 本報では作成したシミュレーションモデルとそれを利用したシミュレーションの結果について述べる. 2.SPRINGDRIVE システムの原理 SPRINGDRIVE のブロック図を Fig.1 に示す.SPRING DRIVE は, ゼンマイを駆動源とし, 輪列を介して発電機のローターを回転させる. 時刻表示のための針は輪列に固定されており, 輪列と共に回転するため, 運針用のモーターは不要である. 発電機のローターが設定速度 8Hz で回転すると秒針は lrpm で回転する. しかし, ゼンマイ特性や輪列の増速比は, 制御を行わない状態では, 発電機のーロターが設定速度 8Hz より速く回転するように設定されている. そこでローターの回転速度を 8Hz に調速するために, 発電機のコイルの両端をシーョトする 256Hz のチョッピング制御をおこない, ローターにブレーキをかける, 制御回路はローターの回転検出信号と水晶振動子の時間信号を比較し, チョッピングのデーュティーを変化させ, ブレーキトルクを調節する. このように調速は水晶振動子の時間信号を基準にして行われるため, クオーツウオッチと同等の精度が得られる. 発電機で発電された交流の電力は整流回路により直流に変換され制御回路に供給される. 上記チョッピングは調速のほか, コイルに高い誘起電圧を発生させ, 電力を有効に蓄積する効果をもつ. POwer Suppiy Fig1.Block Diagram f SPRING DRIVE 一 11 一

3 The Horologloal Horological Institute 工 nstltute of Japan Fig.2 に示す整流回路は, IC に充分なシステム駆動電圧を与えるために, 2 つの昇圧方式を組み合わせている. また, 発電機のローターにかかるブレーキトルクを調節するためのチョッピングスイッチが設けられている.Fig.2 の L は発電機のコイル, C1 は IC 電源用コンデンサー, C2 は昇圧用コンデンサー, D1 および D2 は整流ダイオード, FET1および FET2は整流用トランジスタである. また, S1 および S2 はチョッピング用スイヅチであり, 制御回路からのチョッピングパルスにしたがい, S1, S2 同時にオンオフを切り替えられる. Sl, S2 がオフのとき, 回路は次のように動作し整流を行う.MG1 がマイナス, MG2 がプラスのとき FET1 がオフ, FET2 がオンとなり, (4 ) (3 ) (7 ) の電流で昇圧用コンデンサー C2 を充電しつっ, (4 ) (5 ) (6 ) (1 ) (2 ) (3 ) (7 ) (4 ) の電流で IC 電源用コンデンサー C1 を充電する. また, MGI がプラス, MG2 がマイナスのとき FETI がオン, FET2 がオフとなり, (7 ) (6 ) (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (7 ) の電流で, コイルの起電力と昇圧用コンデンサー C2 の充電電圧により, 電源用コンデンサー C1 を充電する. Sl, S2 がオンのとき, 発電機コイル L の両端がショートされ, コイルに流れる電流が増加し, ローターにかかるトルクも増加する. すなわちローターにブレーキがかかった状態になる. この間, ゼンマイの力学的エネルギーが磁場のエネルギーとしてコイル内部に蓄積される. チョッピングデューティーはブレーキトルクと充電電圧に影響を与える. したがって, チョヅピングデューティーはそれらを両立するように設定しなければならない. (5) (1 黜礫 p 158 鎚 FE τ2 FETI s S1 d Cl 工 4 MG2 L CZ の M 旧量 D2 3 D1 Fig.2 Rec 廿 ier 一 12 一 NII-Electronic N 工工一 Eleotronlo Llbrary Library

4 3. 解析モデル Fig.3 に示す本シミュレーションの解析モデルは, SPRINGDRIVE の調速機の特性をシミュレーションすることが可能なように, ゼンマイ, 輪列, 発電機, 整流回路 ( アナログ回路 ), 制御回路 ( デジタル回路 ), 水晶振動子をモデル化したものである. トルク源はゼンマイおよび輪列より発電機に与えられるトルクをモデル化したものであり, トルクと発電機ローターの回転角の関係を与える. Revolu 断 o 囗 D 巳 tection Fig.3 SimulationModel of SPRING DRIVE 発電機は ( 式 1 ) に示すローターの運動方程式および ( 式 2 ) に示すコイルの回路方程式で記述される. 誰環一 B θ 一 C C i 一鰐式 1 ) 匹一 L 璽. d 血 θ 塑一, ( 式 2) 誑 dt ここで, はローター慣性モーメント, B はトルク定数, C1 はヒステリシス損失によるトルク, C2 はコギングトルク係数, D は粘性制動係数, L は自己インダクタンス, d は誘起電圧定数, r はコイル内部抵抗であり, これらのパラメーターはシミュレーションの条件として指定する. また, TR はロ一 13 一

5 The Horologloal Horological Institute 工 nstltute of Japan 一ターのトルク, θ はローターの回転角, V は発電機コイルの電圧, 1 は発電機コイルに流れる電流であり, これらは変数である. 整流器は Fig.2 に示すように, コンデンサー, ダイオードなどから構成される. アナログ回路のシミュレーターである SPICE で利用するのと同様のデバイスモデルを組み合わせ, 整流回路をモデル化した. 制御回路は IC の仕様を SaberDesigner 内蔵の HDL ( Hardware DescriptionLa uage ) で記述した. 8Hz のクロックは水晶振動子から得られるパルスに相当する. 本モデルでは入力トルク, 整流回路の素子の特性, チョッピングブレーキによる制御方法, 発電機の特性などの条件を設定し, ローターの運動, 充電電圧などを求めることが可能である. 4. 解析例および結果作成したモデルでの解析精度を確認するため, 測定条件に合わせ, Fig.4 に示すテスト構成で解析を行った.SPRING DRIVE の実機とテスト構成の違いは, 制御用の IC は使用せず, ローターの回転速度に関わらず, 一定のデーュティーで 256Hz のチョッピングを行った点と, 発電した電力を制御用 IC に供給するかわりに, 抵抗で消費するようにした点である. Fig.4Simulation Model OfTest Configuration 測定およびシミュレーションは以下の手順で行った. (1) テスト構成において 256Hz でおこなうチョヅピングのデューティーを固定する. (2) トルク源から一定トルクをローターに加える. 一 14 一 NII-Electronic N 工工一 Eleotronlo Llbrary Library

6 (3) (2) の状態でシステムを駆動すると, ローターの速度はある値に収束するが, その速度が 8Hz でなければ, 8Hz になるようにトルクを設定しなおす. (4 ) ローターが 8Hz で回転していればその時のトルクと電源用コンデンサーの電圧を読み取る. (5) チョヅピングデューティーを固定する値を変え, (1 ) から (4 ) を繰り返す. シミュレーションおよび実験で求めたトルクを Fig.5 に, 回路の電源用コンデンサーの電圧を Fig.6 にプロットした. 測定値と解析結果がよく一致し, 発電機, 整流回路のモデルの精度は実用上問題ないと考えられる. ( 3 当ぴ昌遷五 ) b 疊 1.s O Chepping Duty 0.6 O O ,6 0,8 且 ChoppingDuty Fig.5 Tbrque to driverotor at 8Hz Fig.6 Generated Voltage 5. まとめ従来から発電機, アナログ回路, デジタル回路をそれぞれ単体でシミュレーションを行い, 効果を上げていた. しかし, それらのシミュレーションでは, SPRINGDRIVE のように, 電気系, 機械系が相互に作用しながら動作するシステムを設計するには不十分であった. 今回ゼンマイ, 発電機, アナログ回路, デジタル回路を含むシステム全体のシミュレーションモデルを作成し, その精度を確認した. 本シミュレーションは SPRINGDRIVE の開発, 設計において有効なツールとなる. 6. 参考文献 1 ) 小池, 茂木ゼンマ, イ駆動高精度ウオッチの発電制御システムの開発, マイクロメカトロニクス, VoL44, No 1, (2000 ) 一 15 一

ACモーター入門編サンプルテキスト

ACモーター入門編サンプルテキスト技術セミナーテキスト AC モーター入門編目次 1 AC モーターの位置付けと特徴 2 1-1 AC モーターの位置付け 1-2 AC モーターの特徴 2 AC モーターの基礎 6 2-1 構造 2-2 動作原理 2-3 特性と仕様の見方 2-4 ギヤヘッドの役割 2-5 ギヤヘッドの仕様 2-6 ギヤヘッドの種類 2-7 代表的な AC モーター 3 温度上昇と寿命 32 3-1 温度上昇の考え方