電気ドライブトレインと信号

電気駆動装置は、様々な用途に使用されています。それは、電気自動車、船舶用モータ、高速列車、飛行機の電動車輪駆動装置やアクチュエータ、フォークリフト、電動機器、風力発電など、基本的に、インバータドライブまたは可変速ドライブを含むすべての電動の機械に使用されています。鍵となるのは、最大効率を可能にする設計を行い、ドライブトレイン全体のすべての操作ポイントで、安全にも配慮しながら、高速の高精度テストにより性能を検証することです。このためには、図1に示すように、インバータ、モータ、電動機器の最適化、インバータとモータ間のマッチング、およびドライブ方式の最適化が必要です。

インバータとモータのマッチングが適切な場合、効率がより高くなります。このマッチングを改善するためには、モータ特性を引き出せるようにインバータを使用する必要があり、場合によっては、モータをより効率的に駆動するためにアルゴリズムの改良を行います。このためにはドライブトレインの全操作ポイントで生データを分析することが絶対必要になります。

効率向上のために電気ドライブトレインを分析するには、多数の信号を記録する必要があります。図2 で示されるように、記録すべき信号には最大 1000 V のバッテリ電圧と数百アンペアのバッテリ電流が含まれています。インバータは最大±1000 V パルス幅変調電圧を生成し、通常3相（時にはそれ以上）で最大電流は数百アンペアになります。トルクセンサは高度な分析のために、モータのトルクとスピード、及び位置を記録することが必要です。これらの電圧および電流をそれぞれ計測することにより、バッテリからの電力、インバータからの電力、およびモータからの機械的電力の計算が可能になります。それぞれの比を計算する事により、周波数インバータ、モータ、全電気駆動系の効率が計算できます。

高い効率を持つ電動モータや駆動装置の需要が高まっているため、モータ効率の評価が非常に重要になっています。主な課題は、すべての操作ポイントにおいてモータまたは駆動系の効率を高めるための正確な検証データを、安全にも配慮しながら、高速収集する最善の方式を確立することです。しかし一般的なパワーアナライザを使用した従来のテスト方式で得られる数値データでは全く不十分です。モータ効率を正しく評価するためには、電気信号、機械信号、物理信号をすべて高速サンプリングレートで同期させて収集する必要があります。これに、先進的なリアルタイムのカスタム解析とオートメーションシステムへの高速データ転送を組み合わせて使用すると、電気モータと駆動系の効率マップを正確かつ迅速に作成するだけでなく、あらゆるタイプの高度な解析が可能になります。

一般的にドライブトレインからの信号は、図3 に示したような設定で計測します。

バッテリの電圧と電流はデジタルマルチメータで、インバータの出力は一般的なパワーアナライザで計測します。信号を観察するためにはオシロスコープを使用することがあります。マシンの出力を計測するには、トルクセンサとデータ収集システムが使用されます。残念ながら、この従来方式には以下のような問題があります：

1. 各記録システム間のデータが時間ベースで同期していません。したがって、同じ時間軸で機械的信号（トルク/速度）と電気的信号（電圧/電流）を相関させて比較分析することは困難か、事実上ほとんど不可能です。
2. 生データがないので、高度な分析は実施できません。
3. 一般的なパワーアナライザでは、毎秒数回の計算しかできないので、自動制御システムへのフィードバックには不十分です。
4. ダイナミックな負荷変動に関する試験と分析は重要な領域ですが、パワー・メーターはダイナミックな負荷変動時の計測に対しては信頼性がありません。
5. 生データが使用できないため結果の再検証は不可能で、問題があるときは再テストになってしまいます。

結果として、 問題やエラーについては、いくつかの推定を行い、この推定をもとに変更を行い再テストします。これでは、時間がかかりコスト増にもなります。

図4は、高速データ収集ができるパワーアナライザを使用して、従来のテスト方法の限界を克服した革新的なHBM edriveテスティングソリューションの概要です。次のような利点があります：

1. 機械的および電気的トレースを正確に比較できるように、すべてのドライブトレイン信号を同期して記録します。さらに、3相、6相、12相のマシンをテストし、CAN、温度、振動、ひずみなどの信号も収集
2. モータマッピングのような高度な分析をリアルタイムで行い、数時間後または数日後ではなく、即時に有効な結果を提示
3. リアルタイムの計算結果を、EtherCATを使用してオートメーションシステムに転送（毎秒1000件）
4. 起動または停止などの動的負荷の変動時にも、半サイクルごとのリアルタイム電力計算を実行
5. 生データが利用可能であるため、いつでも結果の検証が可能です。問題点があっても検証のための再テストは不要

ドライブトレインを最高の効率に改善するためには、最高の計測精度を必要とします。信号の種類別に、最も望ましい正確な計測方式について説明します。

電流計測

ほとんどの場合、他の計測値に比べ電流の計測値は誤差が最も大きくなります。そのため、適切な効率計算を行うためには、正確な方式で電流計測を行うことが非常に重要です。電流クランプは精度が低く、最高でも±1% が普通です。電流トランスは精度が高く、通常、±0.02% です

高電圧の計測にはいくつかの方法があります。しかし、最も重要な要素は安全性で、精度が次に重要です。絶縁アンプは、高コストですが、周辺機器や運転員にとって、高電圧を計測する最も安全な方式です。また、絶縁アンプは高精度で、通常 ±0.02%です。他の方法では、精度が悪いうえ安全性に問題がある場合があります。精度は電圧センサやトランスでは約±1％、差動アクティブプローブでは約±2％です。

トルク、速度、角度の計測には、高ダイナミックレンジの高精度トルクセンサを使用し、少なくとも 0.05％から 0.01％の精度を確保する必要があります。過酷なテスト環境からのノイズを除去するために、トルクセンサからのすべての信号はデジタル接続にします。

すべての生データが利用できるので、お客様が高度なカスタム方程式を作成し、リアルタイムで演算、表示、オートメーションシステムへのストリーミングすることが可能になります。このシステムは、マルチフェーズモータ、ハイブリッドドライブ、マルチレベルのインバータなど、従来のアナライザでは解決できない様々なアプリケーションにも簡単に適用できます。

マシン効率マップの生成を以前に比べ100倍の高速で実行でき、図10に示すように時間とコストを大幅に削減できます。この方式は1000セットポイントを使用して約100秒で実行できます。従来のアナライザでは3時間近くかかっていました。100秒以内のテストでは、モータ温度を無視できます。従来のアナライザは、基本周波数の変動に対応するのに、かなりの時間を必要とし、10秒ごとに1つのセットポイントしか処理できません。新方式は、デジタル周波数検出を使用して、半サイクルごとに計算を実行できます。マシンアングルと高度な数式を使用して高性能モータ効率マップを作成して機械の特性を深く解析できます。例えば、トルクおよび速度の関数としての銅損失マップと鉄-機械損失マップ、さらに、機械の最良の作動状態がd電流およびq電流の関数として示されているMTPA（アンペア当たりの最大トルク）と呼ばれる軌道マップが解析に使用できます。

クラーク変換も高速化することができます。3相システムの3つのエンティティa、b、cを表す空間ベクトルは、発生したトルクおよび磁束を表す2つの線形独立エンティティαおよびβに変換することができます。2つのiα波形とiβ波形をXYプロットとして表示すると、システムの平衡性や制御状況が簡単に表示できます。

パーク変換は、制御アルゴリズムを簡単に検証しますが、従来式のアナライザを使用して計算すると、数時間から数日かかることがあります。しかし、新方式は結果を即座に計算し表示できるので、時間とコストの両方を大幅に節約できます。作成された id と iq の波形は、トルクと磁束の電流コンポーネントを表しています。0 ( ゼロ ) のコンポーネントがシステムの対称性とのバランスの基準になります。モータが完全にバランスした状態は、0 (ゼロ)のコンポーネントはゼロになります。これにより、制御アルゴリズムの検証が容易になります。インバータはidとiqの結果に基づいて決定を下し、インバータの電子回路は、これをモータに送られた電圧および電流に変換します。このインバータアルゴリズムにより、エンジニアは何がモータに送信され、その結果モータが何をしたかを実際に解析できます。これを利用して、アルゴリズムを改善し、効率を改善することができます。

上述の超高速試験が可能な新方式は、あらゆるタイプの高速解析方式を使用して、モータ、インバータ、ドライブトレインの解析能力を大幅に向上するだけでなく、時間とコストを大幅に削減します。従来方式では数時間～数日間を要していた解析を数秒間で完了できます。その結果、モータ、インバータ、ドライブトレインをより効率的にする試験を短時間で実行できるので、インバータや可変速ドライブを使用する電動機器を組み込んだあらゆるアプリケーションにおいて、生産性や機能の向上、研究開発の促進に貢献します。