Virginia Tech：NI CompactRIO を使用して電子モータの特性評価を実施

Author(s):
Keunsoo Ha氏 - Virginia Tech の Center for Rapid Transit Systems

Industry:
Electronics

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
スイッチリラクタンス（SR）モータの磁気特性の計測によって発生する、渦電流損と加熱による抵抗の変化を計測し除去するためのアルゴリズムを開発する必要があった

The Solution:
アルゴリズムを作成するために、NI社の LabVIEW 7.1、LabVIEW FPGA モジュール、PXI-7831R R シリーズの再構成可能 I/O モジュール、複数の CompactRIO モジュール、そして、自動センサキャリブレーションを行うために位相電流を検知して位相電圧を減衰させるためのインタフェース回路を使用

Virginia Tech の Center for Rapid Transit Systems は、国際的に認知されたドライブシステムおよびモーションコントロールの研究グループです。ここで指導にあたっている Krishman Ramu 教授は、産業電子分野での顕著な技術的貢献を称えられ、IEEE Eugene Mittlemann Achivement Award を受賞しています。Ramu 教授の下で研究を行っている博士課程の学生 Keunsoo Ha 氏は、スイッチリラクタンス（SR）モータの磁気特性の計測によって発生する、渦電流損と加熱による抵抗の変化を計測し除去するためのアルゴリズムを開発する必要がありました。このアルゴリズムを作成するために、Ha 氏は、ナショナルインスツルメンツの LabVIEW 7.1、LabVIEW FPGA モジュール、PXI-7831R R シリーズの再構成可能 I/O モジュール、複数の CompactRIO モジュール、そして、自動センサキャリブレーションを行うために位相電流を検知して位相電圧を減衰させるためのインタフェース回路を使用しました。これは自動化されたユーザフレンドリな実験環境であり、フラックスリンケージ曲線をグフィック出力して、データの表示・保存を行うことができます。

NI の CompactRIO と LabVIEW は、高確度の電子モータ特性評価テクニックを開発するためのパワフルなツールを提供しました。

SR モータのメリット
ロータリ SR モータは、エネルギー効率が改善されており、従来の電子機械トポロジより小型・軽量のパッケージで大きな馬力を出力します。SR モータの制御に必要とされるパワースイッチングデバイスやデジタル信号プロセッサ、FPGA のコストが下がるにつれて、SR モータは輸送から家電に至るまでの様々なアプリケーションにとって、より魅力のあるものとなっています。また SR モータを使用することによって、制御系エンジニアは、クワドラチャエンコーダやタコメータなどの高価な位置センサを使用する必要がなくなりました。これは、位置センサレスと呼ばれる手法により実現したものです。センサレス制御方式で、Ha 氏は、モータ巻線の電圧と電流からモータの瞬時回転位置を計算し、それを使用して転流およびトルク出力、速度、位置の制御を実行することができました。

磁気特性評価への取り組み
SR モータの高性能制御を達成するには、エンジニアは、各ロータ位置および励磁電流でのモータ巻線のフラックスリンケージ（インダクタンス）特性について詳しい知識
が必要です。特定の SR マシンの外形寸法が与えられても、エンジニアが解析計算によって正確な磁気特性を予測することが困難な場合があります。有限要素解析法の確度はあまり高くありません。これは、この解析法では製造時の不規則性や鉄の材質の不均一性を取り込むことができず、3D 効果を無視する場合があるためです。したがって、SR マシンの磁気特性を正確に特性評価するための厳密な実験方法の開発は、制御系設計プロセスにおいて重要な部分を占めることになります。正確な磁気特性評価が得られれば、設計、シミュレーション、リアルタイム制御にこのデータを使用することができます。

SR モータ特性の実験計測を困難にしている要因として、渦電流損や加熱による抵抗の変化などがあります。また、マシンと転流方法という二重の特質によって、非正弦電流、トルク、およびフラックスリンケージ波形が生成されます。これらの問題に対処するため、Ha 氏が所属する Virginia Tech 研究グループは NICompactRIO の R シリーズ拡張システム、PXI-7831R FPGA デバイス、および複数のCompactRIO I/O モジュールを選択しました。

この実験セットアップはスイッチトリラクタンスモータ、クランピングメカニズム、NI CompactRIO Rシリーズ拡張システム、および電流センサボードを示しています。

高い確度を達成するパワフルツール
研究グループのメンバーは、AC 電源を使用して各ロータ位置で SR モータに励起を供給しました。次に、cRIO-9215同時サンプリング16ビットアナログ入力モジュールに接続された LEM 電流センサおよび電圧減衰器を使用して、ステータ巻線位相電流および位相電圧を計測しました。そして、cRIO-9211 24ビット熱電対モジュールでモータの温度を計測し、加熱による抵抗の変化を知ることができました。また、動作中の入力電力から銅損を減算して、渦電流損を算出しました。
Virginia Tech の研究者はまた、LabVIEW を使用して再構成可能 FPGA チップにプログラムを落とし、cRIO-9411差動／TTLデジタル入力モジュールに接続されたクワドラチャエンコーダ位置センサからの信号をデコードしました。こうすることによって、各回転位置での全ての計測データを収集する LabVIEW FPGA プログラムを開発したのです。こうして、位相電圧、
位相電流、ロータ位置、およびステータ巻線温度などが計測されました。また、LabVIEW ホストアプリケーションでフラックスリンケージ値を計算し、それらをユーザインタフェースに表示し、自動的にディスクに記録しました。LabVIEW は実験用開発のための柔軟な開発ソフトウェアで、ユーザによるプログラムが可能な FPGA を搭載した CompactRIO の再構成可能ハードウェアシステムでは、SR マシンの完全な磁気特性を計測するための高精度タイミング制御および高確度絶縁入力チャンネルが利用できます。研究メンバーは、電圧と電流からフラックスリンケージを計算するカスタムアルゴリズムを迅速に開発し、さらに表示と保存を行うためにフラックスリンケージ曲線をグラフィックで簡単に表示することができました。Ha 氏の研究グループは、渦電流や抵抗の加熱効果による誤差を除去して確度を高めることができました。CompactRIO と LabVIEW は、高確度の電子モータ特性評価テクニックを開発するためのパワフルなツールとなったのです。

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Keunsoo Ha氏
Virginia Tech の Center for Rapid Transit Systems

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