FOC（Field Oriented Control）の実装において、PWM（Pulse Width Modulation）のDutyが100%の場合、電流の直接測定は一般的に難しいです。これは、PWMのDutyが100%であると、Hブリッジや他のスイッチング要素が常にON状態となり、サンプリングやADC（Analog-to-Digital Converter）を使って電流を直接測定するための窓がなくなるためです。
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目次
FOC制御ではDuty100％のときはどうやって電流を測定する？
しかし、モータ制御において電流情報は非常に重要であり、Dutyが100%の状態でもそれを取得する方法が必要です。以下は、その際の一般的なアプローチです：
- ローシャント抵抗の使用: 電流を直接測定するための抵抗をモータの電流経路に直列に配置する方法です。この抵抗の両端に生じる電圧を測定することで、電流を推定することができます。しかし、この方法は効率が低下する可能性があります。
- 電流センサの使用: 電流センサは、モータの電流経路に直接影響を与えることなく電流を測定することができるセンサです。ホール効果を利用したものや変圧器型のものなどがあります。
- 変動Dutyの使用: 完全に100%ではなく、99%や98%など、わずかにDutyを減少させることで、短い時間の窓を作成して電流をサンプリングする方法です。
- モデルベースの推定: モータの動的モデルや、以前のPWMサイクルの電流情報を基に、電流の推定値を計算する方法です。
- 電流のフィルタリング: 100% Dutyの状態で電流が一定であると仮定し、それ以前の電流値をフィルタリングして使用する方法です。
どの方法を選択するかは、アプリケーションの要件や利用可能なハードウェア、制御の精度要求などによって決まります。
シャント抵抗を使った電流測定のときはPWMがONの/OFFどちらのタイミングで電流を測定するのがよい？
シャント抵抗を用いてモータの電流を測定する際、PWMがONの時とOFFの時のどちらで電流をサンプリングするかは、目的や測定環境によって異なる場合があります。以下に、それぞれのタイミングでのサンプリングの利点と注意点を説明します。
PWM ON時の電流サンプリング:
利点:
- モータに供給される電流のピーク値を直接測定できます。
- ON時の電流は、モータの動的な振る舞いやトルク生成に直接関連しています。
注意点:
- 高周波のノイズが伴う可能性があります。PWMのスイッチングによるノイズが強く、これにより電流測定の正確性が低下することがあります。
PWM OFF時の電流サンプリング:
利点:
- OFF時の測定は、スイッチングノイズが少ないため、よりクリーンなサンプルを得られる可能性があります。
- モータのインダクタンスにより、電流は突然には0にならないため、OFF期間中も情報を取得できます。
注意点:
- 長時間のOFF期間がない場合、電流のサンプリングウィンドウが非常に短くなることがあります。
- OFF時の電流は、ON時の電流よりも小さくなる可能性があるため、サンプリングの精度や解像度を考慮する必要があります。
結論:
一般的に、PWMのON時に電流をサンプリングするのが直感的で、モータのトルクや動作に関する実際の情報を得られるため推奨される場合が多いです。しかし、ノイズの影響を避けるため、または特定の応用に適した情報を取得するために、OFF時にサンプリングする方法も採用されることがあります。
最適なサンプリングタイミングを決定する際には、具体的なアプリケーションの要件、制御の精度、使用するADCの性能などを考慮する必要があります。
FOC制御ではどのタイミングで電流測定するのか？
FOC（Field Oriented Control）において電流のサンプリングタイミングは非常に重要です。シャント抵抗を使用して電流を測定する場合の一般的なタイミングについて説明します。
FOCにおける電流サンプリングの一般的なタイミング:
- PWM中央あたりでのサンプリング:
- この方法では、PWMパルスのON期間の中央あたりで電流をサンプリングします。
- これにより、スイッチングトランジェントから十分に離れた位置で電流をサンプリングすることができ、ノイズの影響を低減することができます。
- FOCにおいて、この方法は非常に一般的であり、多くの実装で採用されています。
- PWM OFF時のサンプリング:
- 一部の制御アルゴリズムやシステムでは、PWMのOFF期間中に電流をサンプリングする方法が採用されることもあります。
- この方法は、スイッチングノイズの影響を最小限に抑えることができますが、サンプリングウィンドウが短いため、注意が必要です。
- Multipleサンプリング:
- 一部の高度な制御システムでは、PWMのON期間とOFF期間の両方で複数回電流をサンプリングすることがあります。
- これにより、高いサンプリングレートや精度を持つADCが必要となりますが、電流のより詳細なプロファイルを取得することができます。
結論:
FOCにおける最も一般的な電流サンプリングのタイミングは、PWMパルスのON期間の中央あたりです。このタイミングでのサンプリングは、スイッチングノイズからの適切な距離を確保しながら、電流の真の値を反映するため、多くのシステムで採用されています。
しかし、具体的なサンプリングタイミングは、使用するハードウェア、制御の要件、外部のノイズ条件などに応じて調整されることもあります。
結局、FOCではPWM OFF時のサンプリングでは、Duty100%のときはどうやって電流測定するのか？
PWM OFF時の電流サンプリングを採用している場合、PWM Dutyが100%の時には特定のチャレンジが存在します。なぜなら、PWMが常にONの状態であるため、OFFのタイミングで電流をサンプリングする窓が存在しないからです。
以下は、PWM Dutyが100%の場合の電流サンプリングを行うための一般的なアプローチです：
- Dutyを完全な100%にしない: 完全に100%ではなく、例えば99.9%のようなわずかに低いDutyを設定することで、短いOFFタイミングの窓を確保します。この短い窓を使用して電流をサンプリングします。このアプローチは、実際の運転条件での影響が非常に小さいため、多くのアプリケーションで実用的です。
- 継続的なモデルベースの推定: モータの動的モデルや前回のPWMサイクルの電流情報を基に、電流の推定値を計算します。この方法は理論的な推定に依存しているため、実際のハードウェアや運転条件の変動に対して非常に敏感になる可能性があります。
- オフライン測定: Dutyが100%になる前後の電流情報を使用して、100% Duty時の電流の振る舞いを予測または補完します。
- モータの動的振る舞いの利用: Dutyが100%に近づくと、電流の変動が少なくなる可能性があるため、直近のサンプリングデータを使用して電流を推定することもできます。
実際には、上記のアプローチの組み合わせや他の特定の方法が採用されることもあります。最も重要なのは、Dutyが100%の場面においても、制御の品質や安全性を確保するための適切な戦略を選択することです。
