モータ・モーション制御MBD実践～組み込みコード生成編～

(1)

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

(2)

モーター・モーション制御とは？

駆動回路 モーター 負荷 モーター制御 モーターの状態 （電流、速度、位置） 制御指令 制御信号 制御電気機械熱

負荷の動き（速度、位置）を意図した通りに制御

(3)

モーター・モーション制御に対するニーズ・トレンド

低コスト化

センサレス制御、安価なマイコンの採用過負荷・過電流保護、自動診断

品質・安全性向上

開発期間短縮

タイムリーな製品市場投入

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

(4)

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

システムレベル設計（モデル）制御機械電気テスト＆検証 研究課題、要求仕様書 システム性能評価（モデル・実機） 組み込み コード生成 高精度・高機能な コントローラを設計 [講演.1] 制御設計編 実機の挙動を模擬した プラントモデルを作成 [講演.2] プラントモデリング編

モデルを活用し、早期段階で制御システムを作り込む

RCP/HIL [講演.4] 組み込みコード生成編 リアルタイムHWを使って すぐに制御実験 [講演.3] リアルタイムテスト編

(5)

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、

機械、電気、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 負荷機械熱電気

(6)

SimPowerSystems

TM

SimMechanics

TM

SimHydraulics

® 熱電気機械 2 1 3

SimDriveline

TM

SimElectronics

®

本講演で使用するキー製品

物理モデリングツール

ベース

(7)

アジェンダ

機械熱電気電気機械



モーター



負荷



駆動回路

(8)

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？

課題.1

?

モーター 電気機械

(9)

詳細度：

低

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。

解決案

詳細度：

高

電圧速度 簡易式で近似 理想モデル 非線形モデル

(10)

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。

例題.1

制御器

（電流、速度制御） _{モーターの状態} （電流、速度） 3相モーター 理想インバーター 3相電圧 v_a, v_b, v_c

(11)

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 _{リラクタンス}スイッチド モーター

SimPowerSystems

TM

様々な理想モーターモデルを提供

3相モーターを選定する。

Step.1

(12)

電気系パラメータ

3相モーターのパラメータを設定する。

回転子（永久磁石）固定子（3相巻線）

機械系パラメータ

 相抵抗 R [Ω]  相インダクタンス L [H]  極対数 p  イナーシャ J [kg.m2_]  粘性摩擦 B [N.m.s]  誘起電圧定数 Ke [V_peak/rpm] A相 B相 C相 A相 B相 A B C

Step.2

(13)

電気機械

電圧、電流

位置、速度、トルク

3相モーターに、電圧、負荷トルクを入力する。

Step.3

m A B C Tm Permanent Magnet Synchronous Machine Tm Group 1 Signal Builder s - + s - + s - + 1 vs_a 2 vs_b 3 vs_c 4 is_a 5 is_b 6 is_c <Stator current is_a (A)>

<Stator current is_b (A)> <Stator current is_c (A)>

1 Te 2 wm 3 thetam <Electromagnetic torque Te (N*m)>

<Rotor speed wm (rad/s)>

<Rotor angle thetam (rad)>

負荷トルク A相電圧 モータートルク モーター速度 A相電流 C相電流 B相電流

3相

モーター

B相電圧 C相電圧

理想

インバーター

モーター位置

(14)

制御器を接続し、目標速度を入力する。

Step.4

wm_ref p thetae (rad) wt Iabc wm_error Vabc Controller Te wm (rad/s) Iabc (A) Te (Nm) m A B C Tm Permanent Magnet Synchronous Machine Tm Group 1 Signal Builder

制御器

（速度、電流制御）

目標

速度

_モーター3相 s - + s - + s - + 理想 インバーター 負荷トルク

(15)

3相モーター速度制御

デモ

3相モーター

電気機械

制御器

PID

+ -

＋

制御 w_{m_ref} w_m

(16)

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？

問題点

モデル

実機

N [rpm]

（例）回転数の時間応答

(17)

「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。

解決案

最適化ツール

Simulink Design Optimization

TM

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

0.2

モデル

実機

t [sec] N [rpm]

（例）回転数の時間応答

(18)

「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-conference-michigan/2012/videos/07-mathworks-universityofmichigan.html

(19)

3相モーター

「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。

電気機械

制御器

S1 S2 S3 PID + - if (..) x = … else x =

＋

制御

(20)

アジェンダ

機械電気電気機械



モーター



負荷



駆動回路

(21)

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？

課題.2

モーター 負荷

?

機械電気

(22)

詳細度：

低

詳細度：

高

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。

解決案

t [sec] Tm [Nm] 理想負荷 要求トルク 非線形負荷

(23)

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。

例題.2

慣性体

巻き取り

ボールねじ

回転回転並進

ベルトコンベアー

回転並進回転回転並進

例.1

例.2

例.3

例.4

(24)

機械部品の組合せで、モデル化作業を軽減。

回転

基本要素

並進

基本要素

マスバネ ダンパ 信号源 イナーシャ バネ ダンパ 信号源

動力伝達

要素

ベルト プーリー ラック ピニオン

Tips

SimDriveline

TM

Simscape

TM ロープ ドラム 送りねじ

(25)

慣性体

回転

概略図

モデル

例.1

モーターイナーシャ負荷

(26)

概略図

モデル

回転並進回転モーター機械電気ワークプーリー

ベルトコンベアー

例.4

ベルトプーリー

(27)

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。

例題.3

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） モーター 理想インバーター

目標速度

3相電圧 v_a, v_b, v_c

(28)

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

Step.1

(29)

Load s - + s - + s - + p Pole pairs wm_ref wt Iabc wm_error Vabc Controller m S A B C Permanent Magnet Synchronous Machine wm Te

<Rotor speed wm (rad/s)> Iabc 速度制御器 （ベクトル制御） 目標速度 3相 モーター 理想 インバーター

負荷

[1] ねじれ無し

[2] ねじれ有り

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。

Step.2

ねじれ有りねじれ無し

(30)

負荷込みモーター速度制御

デモ

機械

負荷

3相モーター

電気

制御器

＋

制御

＋

PID + - w_{m_ref} w_m

(31)

「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。

機械

負荷

3相モーター

電気

制御器

S1 S2 S3 PID + - if (..) x = … else x =

＋

制御

＋

(32)

アジェンダ

機械電気電気機械



モーター



負荷



駆動回路

(33)

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？

課題.3

?

駆動回路 モーター 負荷機械電気熱

(34)

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。

解決案

＋

Ｃ

半導体素子

（電気回路モデル）

1

熱

温度上昇

（熱回路モデル）

3 電圧

電力

P

_on

P

_off

P

ON OFF 電気

損失特性データ

（半導体メーカー提供）

2 電流

OFF

(35)

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。

例題.4

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） モーター インバーター

目標速度

(36)

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。

Ｃ Step.1

半導体素子

（電気回路モデル） 1 A 2 B 3 C 7 Vdc+ 8 Vdc- + - A H G mMod1 + - A H G mMod2 + - A H G mMod3 6 H3 5 H2 4 H1 1 G G3 G1 G2 ゲート信号 （6個） 熱ポート V_dc v_a v_b v_c DC 電圧 3相電圧

1

(37)

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。

Step.2 ターンオン損失 P_on 導通損失 P_ss ターンオフ損失 P_off

損失特性データ

（半導体メーカー提供）

2

あああ

電圧

電力

P

_on

P

_off

P

_ss ON OFF 電気

電流

OFF

(38)

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。

Step.3 熱

温度上昇

（熱回路モデル）

3

冷却風 冷却風

断面図

周囲温度

（冷却風温度）

接合温度

T

_Junction

ケース温度

T

_case

ヒートシンク温度

T

_heatsink

(39)

熱容量 Cc[J/K] ( ケース ) B A 熱抵抗 Rcs[K/W] ( ケース・ヒートシンク間 ) 熱容量 Cs[J/K] ( ヒートシンク ) B A _熱抵抗 Rjc[K/W] ( ジャンクション・ケース間 ) （ B A 熱抵抗 Rsa[K/W] ヒートシンク・外気間） B S Ta S 1 T BA 温度センサ Tsink S PS-to-SL 1 温度 T_heatsink[K] （ヒートシンク）熱容量 Cj[J/K] ( ジャンクション ) B A S 消費電力 S PS 2 IGBT 消費電力 P[W]

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 T_case T_heatsink T_air

T

_Junction

T

_case

T

_heatsink

T

Step.4 冷却風 + - A H G 周囲温度 T H ヒートシンク Tair

(40)

速度制御器 （ベクトル制御） 目標速度 3相 モーター m S A B C PMSM Load p Pole pairs

<Rotor speed wm (rad/s)> Iabc wm_ref ねじれ有りねじれ無し A B C Vdc+ Vdc- H1 H2 H3 G Three-Phase Inverter with loss 300 Vdc Uref P PWM Generator 40 Temp. Ambient (C) Ta H1 H2 H3 wt Iabc error Vabc_mod Controller 負荷 PWM 発生器

インバータ、PWM発生器、ヒートシンクを

接続する。

Step.5

(41)

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

デモ

機械

負荷

電気＋制御＋

制御器

PID + - w_{m_ref} w_m

3相モーター

駆動回路

＋熱

(42)

「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。

機械

負荷

電気＋制御＋

制御器

PID + - w_{m_ref} w_m

3相モーター

駆動回路

＋熱

(43)

制御と絡めたマルチドメイン（機械、電気、熱）の

システム検証で、MATLAB製品をご活用下さい。

まとめ

駆動回路モーター負荷機械熱電気

駆動回路、モーター、負荷のプラントモデルをテーマに、

機械、電気、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。

(44)

以上、「プラントモデリング編」でした。

システムレベル設計（モデル）制御機械電気テスト＆検証 研究課題、要求仕様書 RCP/HIL システム性能評価（モデル・実機） 組み込み コード生成 高精度・高機能な コントローラを設計 [講演.1] 制御設計編 実機の挙動を模擬した プラントモデルを作成 [講演.2] プラントモデリング編 コントローラモデルから [講演.4] 組み込みコード生成編 リアルタイムHWを使って すぐに制御実験 [講演.3] リアルタイムテスト編

モデル活用し、早期段階で制御システムを作り込む

(45)

次は、「リアルタイムテスト編」です。

統合テスト（実機）システムレベル設計（モデル）制御機械電気テスト＆検証 研究課題、要求仕様書 RCP/HIL システム性能評価（モデル・実機） 組み込み コード生成 高精度・高機能な コントローラを設計 [講演.1] 制御設計編 実機の挙動を模擬した プラントモデルを作成 [講演.2] プラントモデリング編 コントローラモデルから 組込みコード生成 [講演.4] 組み込みコード生成編 リアルタイムHWを使って すぐに制御実験 [講演.3] リアルタイムテスト編

モデル活用し、早期段階で制御システムを作り込む

(46)

ご清聴ありがとうございました

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モータ・モーション制御MBD実践 ～組み込みコード生成編～

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

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

モーター・モーション制御に対するニーズ・トレンド

低コスト化

品質・安全性向上

開発期間短縮

電動化の普及・拡大

省エネ化・高効率化・

省スペース化

制御の高精度化・

高機能化

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

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、

機械、電気、熱での課題を考え、

MATLAB製品を使った解決案を紹介します。

SimPowerSystems

SimMechanics

SimHydraulics

SimDriveline

SimElectronics

本講演で使用するキー製品

物理モデリングツール

ベース

アジェンダ



モーター



負荷



駆動回路

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？

課題.1

?

詳細度：

低

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。

解決案

詳細度：

高

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。

例題.1

制御器

SimPowerSystems

様々な理想モーターモデルを提供

3相モーターを選定する。

Step.1

電気系パラメータ

3相モーターのパラメータを設定する。

機械系パラメータ

Step.2

電圧、電流

位置、速度、トルク

3相モーターに、電圧、負荷トルクを入力する。

Step.3

3相

モーター

理想

インバーター

制御器を接続し、目標速度を入力する。

Step.4

制御器

目標

速度

3相モーター速度制御

デモ

3相モーター

制御器

PID

＋

モーターモデルのパラメータが不明だが、

モータ・モーション制御MBD実践～組み込みコード生成編～