n_shinichi’s blog

★記事一覧★から見てください...(すみません、メニュー、リンク、カテゴリー分けがうまくできてません）　　　　日々の備忘録、思い付きで追記して、見直しせずアップするので誤字、脈絡が変とか多し。　NHK魔改造の夜ではDンソーのベテランアドバイザーってことで出ました♪

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2相ブラシレスコアレス130モータ

ブラシレスコアレス130モータ作ってみます  

　　初歩のモータベクトル制御講習用にする予定
　#ベクトル制御 は３相より２相交流の方が　素直な？　直交座標で
　　やさしい解説ができるんです♪２相4スロット型です
　　コアレス...と言っても樹脂のコアはあるけど

モーターのベクトル制御は、モーターを効率的に回転させるための制御手法です。

　この方法を理解するために、ベクトル制御の基本概念とその実際の応用について　　　　

　　説明してみます。

ベクトル制御の基礎
ベクトル制御という言葉は、モーターの動作を調査する際によく目にすると思います。

ベクトルとは、大きさと方向を持つ量を指し、高校の数学で習う基本的な概念です。

しかしながら、モーターのベクトル制御に関しては、数式が多用されており、

理解するのが難しいと感じてる人がことが多い気がします。

 

また、実際に利用されるモーターの多くは3相交流で動作しており、

　ほとんどの解説書も3相モーターを例に取って解説しています。

3相交流は電力の送電において非常に効率的で、配線が少なくて済む上に、

3相コイルを接続するだけで自然に回転磁界が生成されるので、

誘導モーターなどを簡単に回すことができます。

このため、3相交流は広く利用されており、

　ベクトル制御の解説も3相交流をベースにしたものが多く見受けられます。

 

でも・・・・
ベクトル制御自体は、本質的には3相交流と直接関係があるわけではありません。

しかし、3相交流をベースにした制御方法の理解が必要となることが多いため、

解説が難解になりがちです。

ここでは、ベクトル制御の基本的な概念を理解することに重点を置きます。

具体的には、一般的なベクトル制御の解説とは異なる視点から説明を試みてみます。

まず、数学的にベクトルの概念をそのまま活かすことができる2相交流をベースにして

説明してみます。

 

まだこれから作ろうってとこですが...

 

ベクトル制御の基本原理


ベクトル制御では、モーターの回転子（ロータ）を磁石に例えて考えます。

磁石のN極とS極を持つ自分自身がロータであり、周囲には多数の電磁石コイルが配置されています。これらのコイルに電流を流すことで、電磁石が生成され、ロータに力が作用します。

例えば、正面のコイルに電流を流してN極、背面のコイルに電流を流してS極とした場合、ロータの右手N極は背面のS極に引かれ、左手S極は正面のN極に引かれます。これにより、ロータは右回りに回転します。この操作を繰り返すことで、ロータに連続的な回転運動を与えることができます。

しかし、現実のモーターでは、無数のコイルを順次電磁石に切り替えるのは現実的ではありません。そこで、ベクトル制御では、少ないコイル数で同じ効果を得るために、ベクトルの考え方を応用します。

 

ベクトル制御の実際の応用


ベクトル制御を効果的に実現するために、自分磁石と周囲のコイルの間に円筒の壁を設け、自分磁石からコイルが見えないようにしているとします。

このようにして、正面のY軸コイルと右手方向のX軸コイルを配置し、それぞれのコイルに電流を流すことで、2つのコイルで作る磁界の合成により自分磁石に掛かる磁束の方向を変えます。

この手法により、自分磁石にとっては常に正面の電磁石が次々と右へ回転していくように感じ、連続的な回転運動を実現します。

上記の多数の磁石に囲まれて・・・で、

最初の正面と背面が磁石・・・は

　正面の

　　Y軸磁石に対しては自分の左右方向に対する正面となす角…90度、sin90度：１

横の腕を伸ばした先にある

　　X軸磁石に対してはその、なす角・・・・・・・・・・・・での、cos90度：０

回転に連れそのなす角での各sinとcosで電流を調整することで、

　先の多数の磁石に囲まれた時に順に電磁石が移り変わるのと同じ効果になり

　自分磁石は先の多数の磁石に囲まれた時同様に回るんです。

 

こちらは2相交流ベクトルで以前動かしたモータの例です

これはちょっと説明モノに使うには小さいので

　今回130モータ型で作ってみる・・・ってとこです

 

 

　

2相の交流をsinとcos、位相差が90度正弦波2相交流にすれば

　磁力の大きさは一定で、一定の角速度で変化するベクトルとして表現できる

　磁力の制御で、、、その角速度に応じたモータ回転を得る。。。

　　これがベクトル制御の基本原理って感じです。

 

こちらは以前2相交流で動くブラシレスコアレスマイクロモータ作ってる時の

2相交流での2コイルの応答確認してた時のモノ

 

 

 

3相正弦波インバータでベクトル制御：　ブラシレス130モータ、5000rpm

ｑ軸電圧印可でのベクトル制御で回してみます。

HV、EVなどのモータでの制御はもうちょいちゃんとした？ｑ軸の電流制御です。

 



モータのトルク、磁力は電流に比例するので

　モータのトルク制御・・・だと電流の制御が素直です。

　でも実際にはトルクを　〇〇Ｎ.m　出したいって用途は少ないかと思います。

　モータを組み込んだ機器に対して、

　　もうちょいパワーを出したい、絞りたい・・・でしょか。

 

走りモノとかだったらパワー・・・と言うより、

　　もうちょい速度を上げたい、下げたい...　って感じですよね

　　ここではモータがどんだけトルク出してるかはあんまり気にしない。ですよね

 

　車のモータとかちゃんと出力を電力量管理しようとするならセンサで電流測って

　電流を制御して指令したトルクを出す・・・です　とか

　トルクセンサ付けてFB掛けて電流制御・・・とかします　

 

が、、、　工作　はそんな内々のとこはどうでもいいこと多い

　　もうちょい速く、　遅く　くらいなのが多いので

 

ってことで　電流を流すには電圧を掛ける　なので

q軸に電圧を掛けると電流が流れる、パワーが出てくる　です。

　ただ、モータは回転速度が上がると誘起電圧が大きくなってくるので

　掛けた電圧に対してトルクはその時の回転速度で応答が違ってきます...

でも、そんな細かいこと模型とかはあまり気にしないとこでは、、、

　所望の出力になってないなら、もうちょい電圧を掛けるとかでなんとかなる場合

　多いです。。。

 

なので、q軸電圧ベクトル制御　です。それで大方やりたい制御はできちゃいます。

 

でもって、速度FBはなしの

 

 

 

 

 

 

3相正弦波インバータ使って、130モータを3000rpmまで回す

先回は超低速　1.5rpm　で回してみました。max8.5rpm程度

今回はそこそこの回転速度　3000rpmまで回した様子です。

数rpmで制御する時の感度の設定のままでは数千rpm程度の回転速度を

　調整するのは大変なので指令値からの比例定数は変えてます。

 

制御のダイナミックレンジは簡単な作り込みならだいたい、

　max/minは100倍程度ってのが多いです。分解能では1/100。

　で、それでおよそのことは足りるのがほとんど。

　ダイナミックレンジで40dB分とってるとかいいます。

なもんで昔、、、8bitマイコンでは256分解能、、、必要十分な分解能1/100の

　倍の分解能もあるって言ってたりした。

人の感覚もそんだけあれば大抵十分、

　　255mmの長さと　254mmの長さ、ぱっと見でどっちが長いとか

　　わからんですよね。

 

制御性のダイナミックレンジと言えば、昔先輩が言ってたこと　

　エンジンのキャブレター、、、

　　今はもう模型とか草刈り機のエンジンとかでしか

　　あまり見かけなくなったけどあれの出力の制御レンジの広さはすごいぞって

　　言ってた。

　アイドリングの数百w出力から100kw超えまで機械式で制御してるもんなって。

　　ただ、キャブレターも燃料調量のゲイン調整は１つの経路ではなくて

　　アイドリングのエアスクリュー、スロージェット、メインジェットいくつもの

　　ゲイン調整器を組み合わせてる。すごくくまくできてる。

 

話戻して、、、

　先回の超低速のスロー　とは今回の制御はゲイン調整を変えてる

　PID制御のP制御だけ。　でPの係数を変えてる感じです。

凝り方でなんとかやりようはあるのだけど

　係数変えるのが簡単。

 

無負荷で回してる時は定常状態ではおよそd軸電流方向に電流が流れるベクトルで

制御してる格好になります。

オープンループの制御側から決めた3相交流を掛けると加速する時一瞬はQ軸方向寄りに

電流は流れますが、すぐ制御周波数、周期速度に追いついてd軸寄りになり、

トルクが低下し、印可正弦波と同期します。

 

一般的なステッピングモータがおよそこの動かし方と原理は同じです。

　回転センサを使わなくてもどれだけ回ったか、制御する側の送った3相波長数で

　何回転分回ったかわかります。

3Dプリンタの軸送り用のステッピングモータなんかも基本はこれと同じです。

何回転分回ったかセンサもいらなくてシステムが簡単になります。

3相正弦波インバータ使って、130モータを超低速で回す

こちらは　1.5rpmで回転してる様子。　モータはブラシレス130モータ。

　3相正弦波の電圧を掛けてやると回転磁界ができます。

　それにつられてロータが回ります。　アウターロータになってます。。。

 

回し始め、3相正弦波の振幅を徐々に大きく・・・　　1.5rpm

 

正弦波周波数を徐々に上げて・・・　写真では8.65rpm



スタックチャンに3相正弦波インバータ　コントローラになってもらいました。

インバータのパワー部は　TC78H653FTGです。　2個使ってます。

　1個でもできますが2個使うと簡単です。


TC78653、とってもよくできてるんです。

データシートにはDCモータ2個か2相ステッピングモータ用ってあって

3相インバータができるとはどこにも書いてないですが、

データシートを、よーく見ると・・・

1個でも　3相インバータ作れるじゃんって気付くことができます。

　

1個で3相ブラシレスモータ回したモノです

 

ちなみに・・・チャットgpt先生に聞くと、、、

　できないとは言わない...　技術的に難しいです。　とのこと。

　説明してくれてます、その通りです。

データシートのお勧め通りに使うとできないです。

　入出力ファンクションを動的に

　　スモールモード、ラージモード切り替えればいいじゃんって

　　気付けたらできるんです。

 

こちらにうんちくです。

n-shinichi.hatenablog.com

 

昔から自分は電子回路作る時、設計する時は、データシートに書いてない

　使い方もできるんじゃないかなって見方すること多い　です。

 

40年ほど前、先輩にトラ技は電子回路技術者のバイブルだって言われてた。

　その頃、トラ技の記事で一番気に入ったのはタイマICの555の特集だった。

　1年ごとにくらいで似たような記事が載ってたような気もする　けど

　応用編とかでいろんな利用方法が載ってた。

　記事に載ってない使い方できるとなんかうれしかった。

　

　その頃一番のお気に入りはロジックIC、74HCの132だった。

　　シュミットNAND4回路入り。

　　今の若い衆は74HC　知らない人も増えてきた。

　普通にデータシートに載ってない、、、

　　超高速のコンパレータ代わりとか

　　アナログ回路、小パワー回路？的に使うことが多かった。

　　レース車用では設計にそういう使い方DRで通った使えたけど、

　　量産車設計ではデータシートに載ってない使い方は禁止だった。。。

 

話それたです・・・

 

3相正弦波インバータ（フツーにこういう風に一般には言うので）って書いてます。が、

　実際にモータに掛けてる電圧は15kHzのキャリア周波数でもって

　3相正弦波をPWM変調掛けたモノです。

　スマホに表示してるのはそれの変調掛ける前の信号です。

 

実際のインバータ電圧出力波形をそのまま表示すると串歯波形が見えるだけで？？？

になります。

 

一般？の電磁気学の教本とかではモータのベクトル制御って言うと

　電流がベクトルで制御されてるモノを指すのが多いです。

　モータのトルクは電流に比例する関係になるので

　モータを回す…　　回転トルクを出す　それを制御してやるので。

 

ここで紹介してるベクトル制御って言っても　

　　印可電圧がベクトル制御　です。

 

　　回転速度が十分に遅いと、誘起電圧、逆起電圧は無視できます。

　　そうなると電圧と電流はそのまま比例する関係になります。

　　掛けた電圧≒電流制御になります。

 

その動画では回転角度はセンサがなくわかりません。

　一般の角度センサレス制御も十分回転してたら誘起電圧の検出で

　磁極の境目位置がわかってセンサレスで制御できますが極低速では

　難しいです。

 

130モータはきれいな正弦波分布の磁束密度ではなく、無負荷では

　回転必要トルクに対し、コギングトルクの影響率が大きいので

　電圧、電流を正弦波状に流し一定の強さの磁束を回転して掛けても

　定速度回転はしてくれません。

動作的にはオープンで動かすと、無負荷ではd軸電流状態で回ります。

 

ある程度無駄にトルクを掛けるとコギングトルクの影響率が下がって

　そこそこ正弦波周波数の定回転で回せます。

　モーターが熱くなっちゃうんだけど。

 

やってること自体はステッピングモータのマイクロステップ駆動と

　理屈は同じです。

今時のステッピングモータは等価極数が多いのであまりマイクロステップ駆動も

　そう必要でない場合が多いかと思うけど。極数相当値が小さいステッピングモータだと、130モータは1極対なんで1サイクル交流で1回転しちゃいますが

360ステップ刻みの正弦波を印可すれば1度単位で制御できるって感じになります。

 

 

 

 

 

 

Φ６ｍｍ　小型ブラシレスモータを　手回し3相インバータで回す。

＊思い付きでいろいろ書き足してるので何かとおかしいとこあります

 

手回し3相インバータが最近？ウケがいいので再度紹介

今回は小さなブラシレスモータです。

 

ベクトル制御について。。。

ちょっと雑誌で　雑誌・・・じゃない？かな...

　その辺、書くことになっていろいろ整理中。

 

普通のよくある？技術本とは違った見方で初心者にもわかりやすく・・・

　ということで

　それなりに好きに書いてもいいとのことで、、、

　　普通の技術本とは違う紹介してみようかなと思ってる。

せっかくなので自分がよく小学生～大学生の講習でやってるのをまとめようかな

　と思う。

 

専門にベクトル制御をやってる、教えてる先生とかには

　それは違うぞ・・・って言われる　かもだけど。

　　でも、東大でやった時も先生は　なるほどねーって言ってくれてたし♪　^^;

 

そもそも、ぼくは大学では機械系だったんで、　

　　学校でちゃんと？　ベクトル制御の勉強してきたわけじゃない。

　　　　

会社入った時は、研究開発部ってとこにいて

　機械でもなく、車の乗り心地の研究してた。　もう40年近く前...

　当時、車ではアクティブサスペンションって電子制御で足回りを

　いじるってのが流行ってた。　バブリーな時代で。

　脳波、心電図、脈拍、血圧等々測定して車の乗り心地でどう変わるか

　研究してた。　今でも心電図は読める♪

　で、乗り心地を数値化するぞって。サスペンションの評価をするぞって。

 

バブルがはじけて終わった。

 

ホンダは４WSって言って、後輪で舵を切れる機構

　　フォークリフトみたいに。。。ちょっと大げさだけど

　　ついてた。　機械式で前輪操舵と連動で。

　　　後輪操舵の実験車も作ったりした。

 

デンソーではTEMS　って言ってリアルタイムでショックアブソーバーの

　減衰強度を変えられるものとか。

 

F1では路面の凹凸を車両前方で検出して凸凹に合わせてサスペンションを

　能動的に動かすテスト車が出たり。　　そういうのは禁止になったけど。

 

話それた・・・

そうそう当時

　ポンプの設計してた。

　ルマンレーシングカー車載用の燃料噴射の圧送用電動ポンプ。

　　で、そこでモータの設計、教わって面白くなって・・・

　　　電気モノやりたくなって　気が付けば、

　　　フツーに電気、電子、ソフト、シミュレーション解析とかやるようになってた。

量産HV車のインバータ設計、ルマン24ｈHVレーシングカーのインバータ設計

　大学で電気電子専門に勉強してきた若い衆に

　　モータのベクトル制御ってのはな、トランジスタってのはなって

　　　　講釈たれるようになってた。　　^^;

 

そんなんだから、ちゃんと勉強してきた人とは、ちょいと視点が違うとこある。

　ここでも紹介した、2相バイポーラスッテッピングモータ、

　あれはフツー、、、モータドライバで回す時は

　　Hブリッジを2個使った構成で回します。教本にもそう書いてる。

　　　ハーフブリッジ構成が４つ

　でも、あれは2相のコイル各2本線の1端を結んで3本にして、

　3相インバータでフツーに回せるんです。

　　　ハーフブリッジが３つ　　1組少なくて済む。

　　　3相の1つを基準で見ると3相交流は2相90度位相交流になるんです。

　　　そういう風に見えてるのでそうやって回すと、、、

　　ちゃんと電磁気学でモータ勉強してきた人は？？？って一旦なる。

　モータを特に勉強したわけじゃない制御屋さんはもっと？？？？ってなったりする。

 

　今回のΦ６ブラシレスモータも商品としては

　　　2相バイポーラスッテッピングモーター　として売ってるモノです。

 

　で、2組のコイル、4本の端子が出てます。

　　それの1端づつを結ぶだけ　それで3相インバータで動かせます。

　　　　それをその動画では紹介してます。

あ・・・

でもって手回し3相インバータの

　ブラシレス130モータが評判良くて　最初に紹介した時はそーでもなかったけど

　今回、Xに上げたら1日1万、2日目出2万視聴　なんかえらい見てもらってる。

 

なのでその流れでΦ６mmのブラシレスモータも紹介です。

　そのモータはカメラとかのレンズのオートフォーカスの動きとかで

　使われてるモノです。

 

アリエクスプレスとでは1個数十円、

　アマゾンとかでは1000円程度とかで売ってたりします。

n-shinichi.hatenablog.com

 

モノ自体の詳細はこちら

　NIDECのモノのコピー品？

n-shinichi.hatenablog.com

 

 

Φ6mmの着磁パターンの答え合わせはこちらでできます。

　　ちょっとわかりにくいかな・・・

 

でもって、

130モータを使ってベクトル制御

先日の夢卵アイデアコンテストで、130モータをブラシレスにして

　ベクトル制御の原理を紹介してたら思った以上にウケた。

自分のツイートでは、2万超え　はプチバズり♪

 

 

メイカフェア東京とかは工作に関心高い人が多いのでわかるけど

　予想以上だった。子供が一生懸命手回しインバータで

　ブラシレス130モータ回すのはメイカフェア東京と同じ。

 

思った以上に技術ごとやってる人にも見てもらえた

　仕事でモータ制御やってる人・・・うちの会社はすごく多い。

　そんな人でもうなづきながら真剣に見てくれる人が多かった。

 

でもって今年から小学5年生の理科、モータの単元　も教えることになって

　130モータはやっぱりそこそこ知名度があるのもわかった。

 

先週、名古屋大学でEV講習やったんだけど、さすがに理系だと

　みな130モータは知ってた。でもブラシレスモータに簡単に

　改造できることにはけっこう驚いてた。

 

ベクトル制御、インバータで制御、

1極対で3スロットのモータ解説図はどこにでもフツーに出てくる。

　でも実際にそんな構成の実用的なモータはほとんどない。

 

よく知られたところではその構成のモータでは

　唯一の存在が　130モータ　とかの模型用モータ。

　　でも、残念ながらDCモータ。

 

インバータ、ベクトル制御での解説にはそのままだと使いづらい。

　（　DCモータのままの130モータでも見方を変えればブラシとコンミテータで

　上手に一定のベクトル制御しているって言えないこともない。。。かな。）

 

なので130モータをブラシレスにしたモノを最近では

　　小学生相手のSTEM、STEAM教育関連展示から、

　　大学でのモータのインバータ使ったベクトル制御講習でも使うようになった。

 

割と評判がいいんです。

 

これまでブログでも、X,Twitterでも時々紹介してるけど・・・

 

もうちょっと。。。ちゃんと？

　その辺のこと整理してみようかと思います。

 

 

 

ちなみに、ブラシレス130モータ型、

これまで　何度もいろんなの作ってます。

　この辺りのはブラシレス130モータのコアレスモータ版とか。

　コアレス・・・といっても3Dプリンタで作った樹脂のコア？はあるけど

 

夢卵展示会　終了

すごい人だった。

だいたいはメイカフェア東京と同じモノ出展してた

 

ライントレース＆ラジコンロボでは　

・Ｍ5Stickのスティックくん、　ウマ娘、引いてもらってた

・Ｍ5Atom3のちびスタックチャン

・ATtiny1614のマイクロロボ

 

倒立振子ロボでは

Ｍ5Stickで

　スティックくん、スタックチャン

 

・Nゲージ風力電車

・手回しインバータ

・ブラシレス130モータ

・HV車のモータ

　

静電タービンモータ

　1万ボルトで動かすのでこれは小さな子供がいない時に。

 

各種ブラシレスモータを手回しインバータで回したり、

　HV車のモータで3相交流発電して回したり・・・

 

今回は脱進機、からくりすとさんのベース仕様で

　４つ持ってった。

　　1つは輪ゴムでしばらく動き続けるやようにして他の３つは手で回してみる用

 

 

 

 

展示中、展示のこと宣伝するの忘れてた。

小林さんに紹介して頂いてた

 

 

これも展示。

n-shinichi.hatenablog.com

 

楽しかった♪、　疲れた。。。

　でもまたやりたい♪

　　子供が喜ぶ顔は、ホント、元気がもらえる♪

　

muran.denso.com

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