モーター モーション制御モデルベースデザイン実践 プラントモデリング 編 MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部アプリケーションエンジニア福井慶一 2013 The MathWorks, Inc. 1
モーター モーション制御とは? 負荷の動き ( 速度 位置 ) を意図した通りに制御 駆動回路モーター負荷 熱 制御信号 制御 モーター制御 制御指令 モーターの状態 ( 電流 速度 位置 ) 目標速度負荷制御 負荷の状態 ( 速度 位置 ) 2
モーター モーション制御に対するニーズ トレンド 電動化の普及 拡大 HEV/PHV FA プラント 家電 空調 鉄道 等 省エネ化 高効率化 省スペース化先進的なモーター / インバータ駆動技術 制御の高精度化 高機能化自動パラメータ調節振動 騒音抑制多軸同期制御 品質 安全性向上過負荷 過電流保護 自動診断 低コスト化センサレス制御 安価なマイコンの採用 開発期間短縮タイムリーな製品市場投入 3
テスト & 検証 モデルベースデザイン (MBD) が皆様の課題 ニーズの解決に貢献します モデルを活用し 早期段階で制御システムを作り込む 研究課題 要求仕様書 [ 講演.1] 制御設計編 高精度 高機能なコントローラを設計 システムレベル設計 ( モデル ) [ 講演.2] プラントモデリング編 制御 実機の挙動を模擬したプラントモデルを作成 システム性能評価 ( モデル 実機 ) 組み込みコード生成 RCP/HIL [ 講演.3] リアルタイムテスト編 リアルタイム HW を使ってすぐに制御実験 [ 講演.4] 組み込みコード生成編 統合テスト ( 実機 ) コントローラモデルから組込みコード生成 4
本講演のテーマ 駆動回路 モーター 負荷のプラントモデルをテーマに 熱での課題を考え MATLAB 製品を使った解決案を紹介します 駆動回路モーター負荷 熱 6
本講演で使用するキー製品物理モデリングツール 1 SimPowerSystems TM SimMechanics TM SimHydraulics SimDriveline TM SimElectronics 2 3 熱 ベース製品 Simscape TM 7
アジェンダ モーター 負荷 駆動回路 熱 8
課題.1 モーター制御方法の検討には モーターモデルが必要 どのように作れば良いか? モーター? 9
解決案 モーターの着目したい挙動に応じて 必要な詳細度のモデルを作成する 詳細度 : 低 詳細度 : 高 簡易式で近似理想モデル非線形モデル 電圧 速度 10
例題.1 3 相モーターの速度制御モデルを作成し 目標速度に追従することを確認する 理想インバーター 3 相モーター 3 相電圧 v a, v b, v c 制御器 ( 電流 速度制御 ) モーターの状態 ( 電流 速度 ) 目標速度 11
Step.1 3 相モーターを選定する SimPowerSystems TM 様々な理想モーターモデルを提供 DC モーター 永久磁石同期モーター 誘導モーター ステッピングモーター スイッチドリラクタンスモーター 12
Step.2 3 相モーターのパラメータを設定する 系パラメータ 系パラメータ 相抵抗 相インダクタンス 極対数 B 相 R [Ω] L [H] p 固定子 (3 相巻線 ) イナーシャ J [kg.m 2 ] 粘性摩擦 誘起電圧定数 A 相 B [N.m.s] Ke [V_peak/rpm] B C A A 相 回転子 ( 永久磁石 ) B 相 C 相 C 相 13
Step.3 3 相モーターに 電圧 負荷トルクを入力する 負荷トルク A 相電圧 B 相電圧 C 相電圧 Group 1 Tm Signal Builder 1 vs_a 2 vs_b 3 vs_c s - 電圧 電流 + s - + s - + Tm A B C m Permanent Magnet Synchronous Machine 位置 速度 トルク <Electromagnetic torque Te (N*m)> <Stator current is_a (A)> <Stator current is_b (A)> <Stator current is_c (A)> モータートルク <Rotor speed wm (rad/s)> モーター速度 <Rotor angle thetam (rad)> モーター位置 A 相電流 B 相電流 C 相電流 1 Te 2 wm 3 thetam 4 is_a 5 is_b 6 is_c 理想インバーター 3 相モーター 14
Step.4 制御器を接続し 目標速度を入力する 負荷トルク Group 1 Tm Signal Builder Tm Te (Nm) Te wt s - + A p thetae (rad) Iabc Vabc s - + B m Iabc (A) wm_ref wm_error Controller s - + C wm (rad/s) Permanent Magnet Synchronous Machine 目標速度 制御器 ( 速度 電流制御 ) 理想インバーター 3 相モーター 15
デモ 3 相モーター速度制御 制御 制御器 3 相モーター w m_ref + - PID + w m 16
問題点 モーターモデルのパラメータが不明だが 実機の挙動に合わせ込みたい場合は? モデル ( 例 ) 回転数の時間応答 N [rpm] 実機 t [sec] 19
解決案 実験データ + 最適化ツール を使い モーターモデルのパラメータを合わせ込む 最適化ツール Simulink Design Optimization TM ( 例 ) 回転数の時間応答 N [rpm] モデル 1. 実験データをインポート 2. 推定パラメータを設定 3. 推定作業を実行 4. 推定結果を検証 実機 0.2 t [sec] 20
3 相モーターモデルのパラメータ推定 具体的な手順は 下記 Webinar をご視聴下さい Parameterizing and Verifying a PMSM-type Electric Drive Model https://www.mathworks.co.jp/company/events/conferences/automotive-conferencemichigan/2012/videos/07-mathworks-universityofmichigan.html 21
モーター のまとめ モーターモデルにより モーター制御方法 パラメータ変更時の動作を検討しやすい 制御 制御器 3 相モーター S3 S1 S2 + - if (..) x = else x = PID + 22
アジェンダ モーター 負荷 駆動回路 熱 23
課題.2 負荷のモーション制御の検討には 負荷モデルが必要 どのように作れば良いか? モーター 負荷? 24
解決案 負荷の着目したい挙動に応じて 必要な詳細度のモデルを作成する 詳細度 : 低 詳細度 : 高 要求トルク 理想負荷 非線形負荷 Tm [Nm] t [sec] 25
例題.2 代表的なモーター駆動機構を取り上げ 負荷モデルの作成方法を考える 例.1 慣性体例.2 ボールねじ 回転 並進 回転 例.3 巻き取り例.4 回転 ベルトコンベアー 回転 並進 回転 並進 26
Tips 部品の組合せで モデル化作業を軽減 並進基本要素 回転基本要素 動力伝達要素 マス イナーシャ ロープドラム Simscape TM バネ ダンパ 信号源 バネ ダンパ 信号源 SimDriveline TM 送りねじ ベルトプーリー ラックピニオン センサ センサ ウォームギア 27
例.1 慣性体 概略図 回転 モデル モーター イナーシャ 負荷 28
例.4 ベルトコンベアー 概略図 回転 並進 回転 モデル ワーク モーター ベルトプーリー プーリー プーリーの半径 イナーシャ 摩擦 ベルトの単位長さ辺りの重量 ベルトの伸縮 負荷 31
例題.3 負荷部分にねじれが生じるとき モーター速度制御に及ぼす影響を確認する 理想インバーター モーター 負荷 3 相電圧 v a, v b, v c 回転 ねじり振動 例.1 の慣性体 制御器 ( 電流 速度制御 ) モーターの状態 ( 電流 速度 ) 目標速度 32
Step.1 ねじれを考慮した負荷モデルを作成する 回転 ねじれ無し 回転 ねじれ有り 33
Step.2 3 相モーターに 負荷モデルを接続し モーター速度制御に及ぼす影響を確認する ねじれ無し ねじれ有り 負荷 [1] ねじれ無し [2] ねじれ有り Load S Te wt Iabc Vabc s - + s - + A B m p Pole pairs Iabc wm_ref wm_error Controller s - + C <Rotor speed wm (rad/s)> wm Permanent Magnet Synchronous Machine 目標速度 速度制御器 ( ベクトル制御 ) 理想インバーター 3 相モーター 34
デモ 負荷込みモーター速度制御 制御 制御器 3 相モーター 負荷 w m_ref + - PID + + w m 35
負荷 のまとめ モーターに負荷モデルを接続することで モーター制御に与える影響を検討しやすい 制御 制御器 3 相モーター 負荷 S3 S1 S2 + - if (..) x = else x = PID + + 39
アジェンダ モーター 負荷 駆動回路 熱 40
課題.3 駆動回路の放熱設計も重要 半導体素子の温度上昇モデルをどのように作れば良いか? 熱 駆動回路モーター負荷? 41
解決案 半導体素子 (IGBT など ) の電力損失に伴い 素子が温度上昇するモデルを作成する 1 2 3 半導体素子 ( 回路モデル ) + 損失特性データ ( 半導体メーカー提供 ) + 温度上昇 ( 熱回路モデル ) C 電圧 ON 熱 電流 OFF OFF P on P off 電力 P ss 冷却 42
例題.4 モーター速度制御時に 半導体素子の電力損失に伴う 温度上昇を確認する インバーター モーター 負荷 回転 ねじり振動 例.1 の慣性体 制御器 ( 電流 速度制御 ) モーターの状態 ( 電流 速度 ) 目標速度 43
1 Step.1 半導体素子モデル ( スイッチング素子モデル ) を使い インバーターを作成する 半導体素子 G2 1 電圧 G3 G ( 回路モデル ) 1 A C DC Vdc+ 7 V dc + mmod1 G A + mmod2 G A + mmod3 G A ゲート信号 (6 個 ) G1 2 B 3 C v a v b v c 3 相電圧 - H - H - H Vdc- 8 6 H3 5 H2 4 H1 熱ポート ( ) Half-bridge IGBT with Loss Calculation モデルの入手先 http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36158-loss-calculation-in-a-3-phase-3-level-inverter-usingsimpowersystems-and-simscape 44
Step.2 半導体素子の損失特性データを読み取り 半導体素子モデルに設定する 2 損失特性データ ( 半導体メーカー提供 ) ターンオン損失 P on 電圧 電流 OFF ON OFF 導通損失 P ss あああ P on P off 電力 P ss ターンオフ損失 P off 45
Step.3 半導体素子にヒートシンクを接続し 冷却風を当てて放熱する様子を 図で考える 3 温度上昇 ( 熱回路モデル ) 熱 断面図 接合温度 T Junction ケース温度 T case 冷却風 冷却風 ヒートシンク温度 T heatsink 周囲温度 ( 冷却風温度 ) T air 46
B A B A B A Step.4 半導体素子の電力損失に伴う温度上昇モデルを 熱回路モデルを使って作成する T Junction 2 IGBT 消費電力 P[W] S PS S A B 消費電力 冷却風 T case T heatsink 熱容量 Cj[J/K] ( ジャンクション ) T Junction 熱抵抗 Rjc[K/W] ( ジャンクション ケース間 ) T air G 熱容量 Cc[J/K] ( ケース ) T case 熱抵抗 Rcs[K/W] ( ケース ヒートシンク間 ) + - A H Tair 周囲温度 T H 1 温度 T_heatsink[K] ( ヒートシンク ) Tsink S PS-to-SL 熱容量 Cs[J/K] ( ヒートシンク ) T B A 温度センサ T heatsink 熱抵抗 Rsa[K/W] ( ヒートシンク 外気間 ) Half-bridge IGBT with Loss Calculation ヒートシンク 1 周囲温度 T_air[K] Ta S SL-to-PS S A B 温度源 T air 47
Step.5 インバータ PWM 発生器 ヒートシンクを接続する 負荷 PWM 発生器 ねじれ無し ねじれ有り 3 相モーター wt Load A S A p Pole pairs wm_ref Iabc Vabc_mod error Controller Uref PWM Generator P G B C B C m Iabc <Rotor speed wm (rad/s)> Vdc+ H1 PMSM 300 Vdc Vdc- H2 Temp. Ambient (C) 40 Ta 目標速度 速度制御器 ( ベクトル制御 ) Three-Phase Inverter with loss H3 H1 H2 H3 インバーター Heat Sink Thermal Model ヒートシンク 48
デモ 負荷込みモーター速度制御時の 半導体素子の電力損失 温度上昇 制御 熱 制御器 駆動回路 3 相モーター 負荷 w m_ref + - PID + + + w m 49
駆動回路 のまとめ モーター制御動作時に 半導体素子の電力損失に伴う温度上昇を見積もることができる 制御 熱 制御器 駆動回路 3 相モーター 負荷 w m_ref + - PID + + + w m 52
まとめ 駆動回路 モーター 負荷のプラントモデルをテーマに 熱での課題を考え MATLAB 製品を使った解決案を紹介しました 制御と絡めたマルチドメイン ( 熱 ) の システム検証で MATLAB 製品をご活用下さい 駆動回路モーター負荷 熱 53
テスト & 検証 以上 プラントモデリング編 でした モデル活用し 早期段階で制御システムを作り込む システムレベル設計 ( モデル ) 制御 研究課題 要求仕様書 RCP/HIL 統合テスト ( 実機 ) システム性能評価 ( モデル 実機 ) 組み込みコード生成 [ 講演.1] 制御設計編 高精度 高機能なコントローラを設計 [ 講演.2] プラントモデリング編 実機の挙動を模擬したプラントモデルを作成 [ 講演.3] リアルタイムテスト編 リアルタイム HW を使ってすぐに制御実験 [ 講演.4] 組み込みコード生成編 コントローラモデルから組込みコード生成 54
テスト & 検証 次は リアルタイムテスト編 です モデル活用し 早期段階で制御システムを作り込む システムレベル設計 ( モデル ) 制御 研究課題 要求仕様書 RCP/HIL 統合テスト ( 実機 ) システム性能評価 ( モデル 実機 ) 組み込みコード生成 [ 講演.1] 制御設計編 高精度 高機能なコントローラを設計 [ 講演.2] プラントモデリング編 実機の挙動を模擬したプラントモデルを作成 [ 講演.3] リアルタイムテスト編 リアルタイム HW を使ってすぐに制御実験 [ 講演.4] 組み込みコード生成編 コントローラモデルから組込みコード生成 55
ご清聴ありがとうございました 2013 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 56