３相誘導モーター用インバーター

仕様：
　　・速度は１２段階、ロータリスイッチで可変する
　　・逆転は必要ないので省略
　　　ソフト次第でどうにでもなる。ハードウェアは逆転に対応できる
　　・周波数は出来るだけ高く、４ｋＨｚ程度にしてみる
　　　低い周波数だとモーターから発信音が出るらしい。６ｋＨｚ以上が理想らしい。
　　・動作周波数は液晶ディスプレイに表示する
　　・入力は単相１００Ｖ
　　・駆動するモーターは　３相　２００Ｖ　４００Ｗ

今まで弱電回路意外は作ったことがありません。１００Ｖ以上を扱う初めての回路です。回路を燃やすのを覚悟して制作に取りかかります。

回路図のＰＩＣ空きピンは何も接続していませんが、強いノイズを発生する機器では、４．７ＫΩ程度の抵抗を介してＧＮＤもしくは５Ｖに接続しておく方がよいそうです。またピンの設定は入力設定にするのがメーカー推奨です。

ソフトで擬似的に周波数の異なる３相交流を生成させるのですが、汎用のマイコン（ＰＩＣ）にはリアルタイムで波形を生成するだけの計算能力はありません。１２種類の周波数の異なる波形データをあらかじめ生成しておくことにします。波形信号を出力するアセンブラープログラムをＥＸＣＥＬワークシートで自動生成できるようにしました。

出力された波形はこんなです。

モーターはこれ。日立産機製。４００Ｗ。端子ＢＯＸが出っ張っていて邪魔なので削り落としてしまう予定。これ一個でグラインダーが購入できる価格です。

図書館にインバーターの本がありました。著者の一人は三菱電機の人です。しおり代わりに使っているのは貸し出し券です。目黒の図書館なのでサンマの絵が描いてあります。インバーターのスイッチングによる騒音はスイッチング周波数の２倍の周波数になるそうです。市販のインバーターのスイッチング周波数は２ｋＨｚ程度（ヒトの声の周波数がこのあたりだったと思う）らしいので、その倍の４ｋＨｚの騒音が出ることになります。スイッチング周波数を１０～１５ｋＨｚにすると、騒音の周波数が２０ｋＨｚ～３０ｋＨｚになり人間の可聴域の限界に近づくので騒音が聞こえにくくなるそうです。

上の本に出力パワーアップの仕組みが掲載されていました。通常のｓｉｎ波ではなく、ｓｉｎ波に振幅１／６で周波数が３倍のｓｉｎ波を合成した波形で駆動するという物です。グラフにするとこんなです。青線が元のｓｉｎ波、ピンク色の線が振幅１／６周波数３倍のｓｉｎ波、黄色い線が両者を合成した波形です。この黄色い線でモーターを駆動します。このグラフは一相だけですがもちろん１２０度位相のずれた３相で駆動します。まだ先になりますがソフトをちょっといじるだけで対応できるので出力不足の時は試してみることにします。

弱電回路を基板一枚に収めようとしましたがぎりぎり１００×１５０ｍｍに収まり切りません。断念して１００×１００ｍｍ基板２枚の２段重ねにすることにします。
パターンの上にのっているのはＣＰＵとＤＣ－ＤＣコンバータです。

結果、基板は全部で４枚構成になります。
　基板１．弱電電源基板
　基板２．弱電ＣＰＵ基板
　基板３．強電整流基板
　基板４．強電モーター駆動回路基板

上の失敗作を２枚に分割したものが完成。「基板１．弱電電源基板」と「基板２．弱電ＣＰＵ基板」です。

「基板３．強電整流基板」と「基板４．強電モーター駆動回路基板」も作りました。

整流基板に乗せるコンデンサーです。このクラスになるとプリント基板用コンデンサーは４本足になります。２本は固定のための足で何処にもつながっていません。インバーターを自作するとメーカー製より高くなってしまいます。メーカー製とほぼ同価格にするためには、このコンデンサーとＤＣ－ＤＣコンバーターを安く購入することが決め手になります。コンデンサーは最近アニメビルと化してしまった秋葉原駅前のラジオ会館内の若松通商で、ＤＣ－ＤＣコンバーターは現品.comで購入しました。

実験回路をブレッドボードの上に組み立ててソフトの開発に取りかかりました。とりあえず液晶表示部から作ります。液晶にはモーターの回転数を表示します。実際には出力周波数なのでモーターの回転数はそれより遅くなります。

ディスプレイ部分のソフトはほぼ完成です。出力周波数の範囲はとりあえず２５Ｈｚ～１００Ｈｚにしてみます。１２接点のロータリスイッチで可変するので１段階＝７Ｈｚ程度になります。

整流回路の部品のレイアウト確認。紙に印刷して並べてみないと部品同士が干渉してしまうことが多い。リレーは電源ＯＦＦ時にコンデンサーにたまった電荷を放電させるためのもの、電源ＯＮ時はその逆のゆっくりコンデンサーに充電するためのスイッチとして機能します。高電圧用のリレーではないので壊れやすくなるかもしれないと思いソケットを使うことにした。これが結構高かった。リレーと大して変わらない値段。充放電に気を使う必要性は無い思うが基板のスペースがだいぶ空いていたので遊んでみました。

プリント基板の制作に取りかかりました。パターンを印刷したOHPフォイルは埃がつかないようにケースの中でインクが乾くのを待ちます

露光時間は感光用蛍光ライトにマジックで書き込んであります。露光時間は新品の基板で２分１０秒、６ヶ月（有効期限ぎりぎりセーフ）たった基板で３分３０秒とかなり違います。今回は有効期限切れだったので３分５０秒にしてみました。結果、何とかきれいに出来上がりました。古くなった基板は現像時間も長く取る必要があります。新品なら３０秒で十分ですが、今回は４～５分現像時間が必要でした。有効期限切れ３ヶ月は何とかいけそうです。６ヶ月すぎたらたぶんダメです。

エッチング完了したところです。今は湿度が高いので、この状態のままにしておいて昼間湿度が下がったときに感光剤を落としてフラックスを吹きかけます。基板の買い置きはもう無いので残り２枚は千石電商に発注。基板が届くまでＮＣ翼形スチロールカッターのモーターを回す実験に着手します。

穴あけをしてからフラックスを吹くことにした。手順が逆だとキリコ（ガラスエポキシの粉）がフラックスを塗った基板に付着して取れなくなる。わかっているのだがいつも逆の手順で作ってしまう。強電回路は部品のリード線の太さがまちまちなのでドリルの交換が面倒です。

長穴開け忘れてました。１ｍｍのエンドミルは高いので１本しか持っていません。折ると発注しないと行けないので０．６ｍｍのドリルで１ｍｍ間隔に５個穴を開けてそれをエンドミルでつなぐ安全策をとりました。０．６ｍｍのドリルを銜えているチャックは親指の先くらいしかないミニサイズです。横着してバイスの上に基板を固定しています

部品がのりました。．．．が抵抗を買い忘れてそれがまだのっていません。これを入れるケースなど必要な物をリストアップしてから、一緒に抵抗を購入するので通電はしばらくお預け。２８０Ｖ未知の世界。とても楽しみ。でも定格オーバーのリレー大丈夫だろうか。

ＣＰＵ基板も部品がだいたいのりました。部品の買い忘れがまだありました。いくつか穴がふさがっていません。基板の上の方の穴は電源とモータ駆動回路へつながる電線の穴です。

通電してみましたが何かチリチリ鳴ってます。電位差が異なる回路を共通ＧＮＤで繋いでいるインチキ設計が原因です。

いらない部品をはずして回路を修正。

電源基板完成。このＤＣ－ＤＣコンバーターは２４Ｖ入力で±１２Ｖの出力がありますが、＋１２Ｖだけしか使っていません。入力１２Ｖ、出力１２Ｖ当たりが設計上は適当なのですが、この電圧の物が安かったのでこれにしました。

ツェナーダイオードは設計を始めた頃に購入した物で日がだいぶ経っています。見かけは小信号用の物とほとんど変わらないので本当にツェナーダイオードなのか不安になって確認しました。逆電圧をかけて１８Ｖ付近で電流が流れ始めたらツェナーダイオードに間違い無しです。写真の状態では５Ｖしかかけていないのでほとんど電流は流れていません。右の写真はモーター基板作成中。黒く大きいダイオードは基板の裏に張り付いているＦＥＴ保護用です。理想的なダイオードは一方にしか電流を流さないのですが、電流が流れている状態から急に極性を切り替えるとほんのわずかな時間逆方向にも電流が流れます。この逆方向にも電流が流れる時間が短いダイオードです。見た目は大電流用のシリコンダイオードのようにしか見えませんが１個￥１２０で約３割高。

基板の裏に並んだ６個のＦＥＴです。これでモーターに流す電流をＯＮ，ＯＦＦします。一番上の２個は基板からはみ出しているためアルミ版で基板を延長してＦＥＴの位置決めをしています。

まだ動いてもいないのにケースを買ってしまいました。幅１２０ｍｍ×高さ１４０ｍｍ×奥行２２０ｍｍとかなり大きめです。もう一回り小さい方がいいのですが、これより小さい物は小さすぎて１００×１００ｍｍの基板が収まり切りません。

ちょうどいいサイズだったかな。基板は３段重ねです。

長期放置案件を再開。１号機は回路修正が多数入る可能性があるので性能を犠牲にしてソフトを早期完成させてしまうことにした。８年も放置されていたのでその間にＭＰＵの性能も向上しているため処理速度が必要になったらｄｓＰＩＣなどに載せ替えてしまうことも出来る。当初有料だったＰＩＣ用開発ソフトも今は殆ど無料の時代。
処理を簡単にするためにロジックを見直す。３相の波形は６０度分の波形の繰り返しになっている０～６０度の波形を上下反転すると６０度～１２０度の波形になる。ＳＩＮカーブは０～６０度分を生成しておけば良い。
０～６０度までに着目するとU相の黄色い部分の波形電圧を反転した物がW相の波形になるし、U相+V相+W相=0が成り立っているので、２相が決まると他の１相も決まる。
さらに図の赤い部分ではスイッチングせずにONしたままにしておけば他の２相のスイッチング動作によって自動的にSIN波形が生成される。

テストプログラムは回転数固定。167Hzあたりが処理速度上の限界。アセンブラを使っていないがそこそこ使える波形になっている。PWM周波数は6kHz。フォトカプラのターンオフの遅さが問題になりそう。

50Hzだとこんな感じ

予想通りフォトカプラのターンオフが遅い。4μsecかかっている。フォトカプラは汎用品のPC817

こちらはターンON。やや速いが遅いことに変わりは無い。抵抗でプルアップしてある回路なので立ち下がりがターンONで立ち上がりがターンoff

電源電圧が高いのでTLP250が使える。買い置きがあったので速度を確認してみた。ターンON/OFF共に高速。スイッチングが遅いとFETがゆっくりON/OFFするのでFETの発熱が多くなるはず。問題になるほど熱くなるようであればTLP250に載せ替えることにする。足の配列が異なるので単純置き換えは出来ない。

FETのゲート電圧。波形が逆だった。この回路はMPUが動き出す前にモーターの電圧がかかるとFETがショートスルーしてしまう。100V側にリレーを付けて阻止しているが良い設計では無い。波形はソフトで逆転させた。

TLP250はモーター制御用途で使うことを考えてあるのでLEDが消灯しているときは出力もOFF。

いきなりAC100Vは危ないので実験用電源の20Vで操作確認。効率が悪いのかコーセルのDC-DCコンバーターがかなり暖かくなる。

モーターU-V相間の波形。何か違うような．．．．．

改造箇所多数。検証が終わったら２作目を作ることにする。長期放置したので入手できる部品も変わっている。

１００Ｖで動かす。
　・モーターから出る音が大きい
　・ノイズがすごい。人体がアンテナになってＰＩＣのプラスチックパッケージ部分を触ると誤動作する。
　・無負荷ではＦＥＴ等熱くならず。消費電力は７０Ｗ程度。
　　コンデンサで平滑しているので力率が悪くて実際はそれよりかなり低いはず

ジュラコンの丸棒を取り付けた。軍手をしてつかめば負荷になる。２００Ｗのボール盤とあまり変わらない感じ。１００Ｖでいきなり回し始めると異常振動が出る。８０Ｖから１００Ｖに上げると問題は発生しない。ソフトスタートのような仕組みが必要か？

波形もきれいでは無い。モーターＵ－Ｖ相間の波形。おかしな形をしているような．．．　３相はＧＮＤが無いので１２０度位相がずれたＳＩＮカーブの波形を計測器で観測することが出来ない。整流回路（コンバータ）の出力電圧は２８０Ｖだがオシロスコープでモーターの相間電圧を測ると倍の５６０Ｖになる。オシロスコープで計測出来るのはミノムシクリップをＧＮＤと見なしたときの相対電圧なのでミノムシクリップの電圧がＧＮＤ＜－＞電源電圧に変わる回路では波形のPeak-to-Peakは倍になる。

CTセンサーで電流を見るとこんな波形

電源（DC-DCコンバータ）がハイサイド側に３つも必要になるのでブートストラップ回路の実験。利点も欠点もある。
ダメなところ
　ハイサイドがスイッチングしているときはローサイドもスイッチングしている必要がある
　その結果
　　１．ノイズが増える
　　２．ソフトの書き間違いでショートスルーが起こる可能性が高くなる
　　３．ソフトが複雑になる
　　４．ＤＵＴＹ１００％には出来ない
良いところ
　１．電源が３つ省略できる
　２．専用ドライバーＩＣが利用できるので回路がシンプルになる

専用のゲートドライバーを使うと回路がものすごくシンプルになる。これを使うとフォトカプラ＜－＞ＦＥＴのゲートの手前までの回路がこれ１個に置き換えられる。その反面いじれるのはソフトだけになる。価格を調べるとＲＳで￥９００程度。これの１／３バージョンＩＲ２１１０は秋月電子でも売っている

トルクが弱いのでＴＬＰ２５０に変更。

殆ど効果無しなのでモーターの代わりに抵抗負荷にして波形を見てみた。抵抗両端の波形を観測するとうねる変な波形。スナバ回路の影響か？？？　１０Ωの抵抗が３本なかったので５Ωを２個直列にしているため全部で４本有る。抵抗はデルタ接続。電圧は１０Ｖ程度に落としてある。

うねる波形の原因はコンデンサの容量だった。コンバータを通った後の電源波形。プローブを逆に繋いだので正負反転している。画面中央がＧＮＤ。理想型は直流。コンデンサの容量は価格優先で安売り品をえらんでいる。電源の５０Ｈｚとインバーター出力の５０Ｈｚの周波数のずれでうねっているように見えのでは無いかと思う。

コンデンサに蓄えられるエネルギーは1/2*CV^2なので電圧は二乗で効いてくる。10Ω抵抗で電力不足になるのは電圧が低いからというのが結論。2200μFあれば400Wは十分吐き出せる計算になった。厳密に数式で解くのは難しいので瞬時値の電圧をEXCELで計算して1サイクル分積分。LTspiceで回路を書いてしまうともっと正確に出る。
AC100V側にクランプ電力計を取り付けて計測してみると過負荷時には400W以上、無負荷で100W。ONデューティーは８０％にしてあるのでもっと出力は出るはず。とりあえず400Wはこんなもんだということにしておく。

DUTYを95%に変更したが殆ど変化無し。
写真はCTセンサーで検知したモーターの電流波形。電圧が半分だとSIN波なのだが100Vにするとだいぶ歪む。

SIN波形はこんなEXCELワークシートで生成している。
回転数を半分に落とすとモーターから出る音が異常に大きくなる。スライダックの電圧５０V以上は危険な音量になる。V/F一定なのでデューティーは５０％に抑えてある。理論上は問題ないはずなのだが。原因不明。PWM周波数を２倍の12kHzに変更してみたが状況変わらず。

PWM波形の生成には空間ベクトル変調（SVM）とかいうのも有るらしい。Microchip社のアプリ－ケーションノートAN1017。永久磁石式の３相ブラシレスモーターの評価キットもある。これをひな形にして改造したらそこそこ使える物が出来てしまいそう。
現時点の疑問点
３相波形で電圧がゼロになる点はPWMスイッチングではどっちが正しい？
　・電流が流れないのだからハイサイド／ローサイド共にOFFのハイインピーダンス状態
　・中点なのだからハイサイド／ローサイド共に同じだけONするDUTY５０％の状態
今のソフトは前者になっている。SVMのロジックは後者になるような気がする。違っているかな？　＜－違ってました

こんなのを読んでみた。最近ではIPMというのを使うらしい

IPMのデータシートを見るとMPUをつなげるだけでインバーターになる。インバーターの主要な構成部品は
　・コンバーター
　・IPM
　・MPU
ということのようだ。この構成だとハードウェア上の考慮点は殆ど無くなるので純粋にソフト開発だけの世界になる。

SVMの波形をEXCELで書いてみた。×の部分は厳密には直線では無いがほぼ直線とみて良い。上下の凸凹部分はSINカーブの曲線成分だけを抜き出したような物。

SIN波形の頂上でもスイッチングするようにしてみた。理論上何も変わらないはず。頂上のノイズが増えただけ

ソフトをいじろうとするとPIC18シリーズの48MHzでは速度不足になるのでdsPICを使うことにした。dsPICはPWM出力が３セット有るので３相モーターの制御が容易になる。

dsPICの動作確認のためLED点滅プログラムを書いてみる。バージョンアップしたIDEはあまり進歩していなかった。dsPICはパスコンが無いとブレッドボードで安定動作せず。データシートを見るとかなり大食い。

dsPICが動作不安定な原因はオーバークロックだった。10MHzの水晶の場合はPLLx8の80MHzが最大。これをPLLx16の160MHzで動かしていた。データシート上最速は7.5MHz PLLx16の120MHz。
ソフトはAN1017からPID制御を取り去った物。PWM周波数20kHz。発信周波数が全く聞こえない。トルクはあまり変わらない感じ。PIDが前提になっているロジックなのでもっとシンプルな物に書き換える予定。

SVMの電流波形。ノイズがものすごいので安物デジタルオシロではこの波形観測不能。25Hzでも今度は変な音は出ない。トルクは小さくなるが問題なく使えるレベル。次は強電側をIPMかIGBTに変更してみる。

IPMはこれを使うことにした。基板の上にＩＧＢＴやドライバーを実装して一つのパッケージにしたPentium2のような構造。ＩＧＢＴと比べると放熱が格段にやりやすい。

回路はこんなにシンプルになる

１ボードインバーター。これから回路定数を決めていくがコンデンサは４個使わないとダメそうな感じ。コンデンサのデータシートには定格リプル電流というのがある。電流の実効値はそれより小さく抑える必要があるのだが２個だとそれを大きく上回ってしまう。おおざっぱな目安は100Wあたり1000μFのコンデンサを1個使う感じ。400Wのモーターを回すのなら1000μFのコンデンサを4個使って倍電圧整流回路を作る。データシートのtanδから発熱量も計算できるが定格リプル電流というのがそもそも寿命を満足する発熱量に抑えるための電流値のようだ。1000μFのコンデンサ2個の方が2000μFのコンデンサ1個より表面積が大きく放熱に優れるので流せる電流も大きくなる。

大電流が流れる回路はダイオードの選択も面倒
・発熱を抑えるためにVfは小さい方が良い
・発熱が大きいので放熱しやすいパッケージの物が良い
・サージ電流やピーク電流の最大定格に余裕が無いといけない
・入手性、価格も適当で無いといけない

基板一枚にまとめてみた

理想的なコンデンサのTANδ（タンジェントデルタ）はゼロ。理想コンデンサは電圧と電流の位相が90度ずれるが実際のコンデンサは90度よりTANδだけ余分にずれる。このずれが熱に変わる。
コンデンサ４個に流れる電流の実効値(RMS)は消費電力750Wの時8.7A。820uFのコンデンサを全部で８個使う。コンデンサのTANδはデータシートから120Hzのとき0.15。TAN 0.15は角度にすると約8.5度。意外と大きい。ESR（コンデンサの直列抵抗成分）はTANδ/(2*π*f*C)=0.15/(2*3.14*120Hz*820uF/1000000)=0.24Ω。コンデンサ1個あたり8.7/4アンペア流れるので発熱量はI^2*R=(8.7/4)^2*0.24=0.97W。コンデンサは全部で8個なので8Wも消費する計算になる。

IPMが届いた。これは基板と平行に実装するタイプ。垂直の物もあるが薄型の金属ケースに直接熱を逃がすなら平行の方がやりやすい。

プリント基板を作る

モーターは唸るだけで回らず。コンデンサを買っていないので電源は試作１号機から取っている。

dsPICからは正しくPWM制御信号は出ている

ブートストラップコンデンサの容量が少ないのかと思ったが問題ない感じ。

誘導負荷だと波形が分かり難いので抵抗負荷にして観測。ソフトを修正して各アームを個別に制御して見たがIGBT(IPMの中に6個入っている)の出力が予想通りにならない。W相のハイサイドだけは正しく動いている感じなのだが他がダメ。SVM波形で駆動すると3つの抵抗は全部熱くなる。W相のハイサイドだけしか動いていないなら抵抗は熱くならないはず。結果が矛盾する。IPMを交換してみたが状況変わらず。IR2110+IGBTのデスクリート回路に変更してみようか。
３相インバーターのハイサイド/ローサイド６個の半導体スイッチをアームと呼ぶ。一組のハイサイド/ローサイドのアームをレグと呼ぶ。３相ならレグは３つ、Ｈブリッジならレグは２つ。アームという言葉はいろいろなところに書いてあるがレグの方はあまり使われていない感じ。

IPMだとIGBTのゲートにオシロのプローブを当てられなくてお手上げになるということが解ったのでこれで行くことにする。IGBTはまだ秋月で売っていないがMOUSERやdigikeyでは１個￥100程度で入手できる。IGBTは一番安いのを購入。IPMの場合これに加えてスナバ回路まで入っているのでデスクリートで作ると倍額で実装面積が約３倍

デスクリート回路は格段に配線がやりにくい。電圧が高いのでパターンがあまり太くなくても大電力を扱えるがクリアランスは大きめにする必要がある。

IR2110版回路図。整流器は乗らなかったので基板の外。IR2110を使うと弱電のGNDとAC100VのGND（厳密に言うとDC280VのGND）が繋がる。弱電回路を触っても感電する可能性有り。反面、電流検出がシャント抵抗で出来る利点がある（この回路図は電流検出は省略してある）。フォトカプラを使うと弱電とAC100Vを絶縁出来るが電流検出はCTセンサーを使わないといけなくなる。

基板を作る

半年以上放置してしまったのでプログラムを何処に置いたのかすら忘れている。回路構成も忘れているので少しずつ組み立てて動作確認する。先ずはU相単体で実験

モーター電源DC20Vでテスト。プログラムはIPM用を数行だけ変更して実行。SHUTDOWN関連のピン動作が異なるのでそれだけを変更。問題なく動作する。IPMが動作しなかった原因はプログラムには無かったことになる。次は高電圧でのテストなので机の上を整理してから。スナバ回路はまだ実装していない。これは一番最後にやる。

高いdsPICが飛んだ。1個しか買わなかったので代わりが到着するまで中断。原因不明なのでまた飛ぶかもしれない