Last Update 2024/08/01
温度/位置/速度/力…外乱に強いフィードバック・システム作りと評価技術
高効率・高速応答!サーボ&ベクトル制御 実用設計
B5判 240ページ
CD-ROM 1枚付き
定価3,960円(税込)
JAN9784789846707
2016年3月15日発行
好評発売中！
■見本PDF(2.82MB)■筆者が本書をテキストとして，講義するセミナの開催がございます．詳しくは， こちら
エアコンや冷蔵庫の温度制御や，洗濯機の回転ドラムの速度制御，IHクッキング・ヒータのインバータ出力制御，液晶TVやLED照明器具の明るさ制御，スマホのLiイオン電池充電制御，自動車(EV,HV)のモータ回転制御,エレベータのモータ速度・位置制御など，あらゆるものにサーボが使われていて，使用されるアプリケーションは，どんどん増えている．
サーボは自動制御に欠かせない技術だが，機械部分と電子部分が複雑に絡み合っており，狙った値に高精度に追従するシステムを実現するには，定量的な設計アプローチが必要である．
本書では，トラ技3相インバータ実験キット INV-1TGKIT-Aのブラシレス・モータを例に，サーボ・ループの設計方法や，ステップ応答/ボーデ線図/ナイキスト線図/ニコルス線図を使った評価方法，トルク/位置/速度を制御するサーボ・コントローラの設計方法を，シミュレーションを使用して具体的に解説する．さらに，より静かに効率よくブラシレス・モータをコントロールするベクトル制御についても，理論から実装方法まで解説する．
サーボは自動制御に欠かせない技術だが，機械部分と電子部分が複雑に絡み合っており，狙った値に高精度に追従するシステムを実現するには，定量的な設計アプローチが必要である．
本書では，トラ技3相インバータ実験キット INV-1TGKIT-Aのブラシレス・モータを例に，サーボ・ループの設計方法や，ステップ応答/ボーデ線図/ナイキスト線図/ニコルス線図を使った評価方法，トルク/位置/速度を制御するサーボ・コントローラの設計方法を，シミュレーションを使用して具体的に解説する．さらに，より静かに効率よくブラシレス・モータをコントロールするベクトル制御についても，理論から実装方法まで解説する．
目次
温度/位置/速度/力…外乱に強いフィードバック・システム作りと評価技術
高効率・高速応答!サーボ&ベクトル制御 実用設計
まえがき
読者ターゲット，本書の構成
本書のキーワード解説
第1部 サーボ・ループの設計と評価
モータ/増幅器/ロボット…制御対象に関わらず理論は共通
第1章 サーボの基礎知識
1.1 出力を自動的に制御したい
1.2 サーボ・システムの特徴
1.3 ベクトル制御を加えた高効率駆動システム
ループ・ゲインを定量的に設計する
第2章 サーボ制御に必要なゲインと位相の条件
2.1 理想的なサーボ・システムの要件
2.2 サーボ効果を上げるには十分なループ・ゲインが必要
2.3 ループ・ゲインの測定誤差
2.4 ループ・ゲインの条件を定量的に求める
ノイズやひずみを低減したり，インピーダンスを調整したり
第3章 サーボにより得られる効果
3.1 ひずみやノイズを減らす
3.2 出力インピーダンスを小さくまたは大きくする
3.3 入力インピーダンスを上げる
ステップ応答，ボーデ線図，ナイキスト線図，ニコルス線図の使い方
第4章
サーボの安定性は位相余裕で評価する
4.1 「サーボ効果」と「安定性」を両立させる
4.2 サーボ・システムを評価する四つのツール
4.3 安定性評価の指標は「位相余裕」
4.4 位相余裕が異なる五つのサーボ・システムの安定性
4.5 位相余裕はどうあるべきか
折れ線近似で合成！加減算でさまざまな特性の検討が容易に
第5章 周波数特性の検討に便利なツール…伝達関数
5.1 サーボ・コントローラでループ特性を最適化する
5.2 設計ツール 8種類の基本伝達要素
5.3 基本伝達要素の特性をシミュレーションで確認
直列や並列に接続したり，逆システムにしたり
第6章 複数の伝達要素の合成で新たな特性を作る
6.1 三つの基本伝達要素で作る
6.2 合成周波数特性は作図で求める
6.3 合成時間応答が求められる例
サーボ・コントローラの設計から過大振幅対策まで
第7章 実際にサーボ・ループを設計する
7.1 設計するサーボ・システム
7.2 サーボ・コントローラの周波数特性を設計する
7.3 サーボ・コントローラの実用上の問題対策
7.4 ソフトウェアによるサーボ・コントローラの実現
第2部 ブラシレス・モータの最適制御条件
波形から制御に必要なロータの回転角度を読み取る
第8章 制御対象であるモータの振る舞いを調べる
8.1 2種類のDCモータ
8.2 内部構造
8.3 回転角度と誘起電圧位相
8.4 回転用電力の供給方法
実際にモータを回転させて出力信号を測って調べる
第9章 駆動時に使うホールIC信号とロータ位置の関係
9.1 実験セットで実測する
モータの誘起電圧とモータ・コイル電流の位相関係
第10章 電力効率とトルク効率の最適制御条件
10.1 電力効率を上げる
10.2 トルク効率を上げる
最適制御条件で回転させたときの効果を計算する
第11章 高効率を実現するベクトル制御の導入効果
11.1 モータ・パラメータを数式化
11.2 ベクトル制御の導入効果を計算
代表的な「120°矩形波駆動」と「正弦波駆動」を比較
第12章 モータの駆動方法の検討
12.1 ベクトル制御には正弦波駆動が最適
12.2 正弦波駆動の電力効率とトルク効率
12.3 正弦波駆動における電圧利用率の改善
12.4 120°矩形波駆動の動作方式
12.5 120°矩形波駆動の電力効率とトルク効率
12.6 駆動波形による効率比較
12.7 モータ・コイル電流の検出
第3部 ベクトル制御サーボ・システムの設計
機械部もまとめて等価回路に！モータ負荷条件が変化したときも解析する
第13章 ブラシレス・モータの伝達特性を求める
13.1 ブラシレス・モータの等価回路
13.2 特性解析に使うモータ・パラメータ
13.3 電圧駆動時の特性をシミュレーションする
13.4 周波数特性とモータ・パラメータとの関係
13.5 電圧駆動時の静特性を求める
13.6 負荷条件変化時のモータ特性
13.7 電流駆動時のモータ特性
13.8 まとめ
多重ループ・サーボでトルク/速度/位置を制御する
第14章 モータ・サーボ・システムを設計する
14.1 多重ループ・サーボ・システムの設計
14.2 電流制御サーボ・ループの設計
14.3 速度制御サーボ・ループの設計
14.4 位置制御サーボ・ループの設計
14.5 モータ負荷条件変化時のサーボ特性
14.6 単一ループの速度制御
高効率制御を電圧・電流波形で確認する
第15章 サーボ・システムにベクトル制御を加える
15.1 ベクトル制御サーボ・システムの構成
15.2 座標変換器の機能
15.3 ベクトル制御を適用した電流サーボ・システム
15.4 速度制御サーボを加える
15.5 位置制御サーボを加える
15.6 ベクトル制御システムの周波数特性
15.7 スイッチング回路の周波数特性を測定する
Appendix LTspice解析結果の見方
温度/位置/速度/力…外乱に強いフィードバック・システム作りと評価技術
高効率・高速応答!サーボ&ベクトル制御 実用設計
まえがき
読者ターゲット，本書の構成
本書のキーワード解説
第1部 サーボ・ループの設計と評価
モータ/増幅器/ロボット…制御対象に関わらず理論は共通
第1章 サーボの基礎知識
1.1 出力を自動的に制御したい
1.2 サーボ・システムの特徴
1.3 ベクトル制御を加えた高効率駆動システム
ループ・ゲインを定量的に設計する
第2章 サーボ制御に必要なゲインと位相の条件
2.1 理想的なサーボ・システムの要件
2.2 サーボ効果を上げるには十分なループ・ゲインが必要
2.3 ループ・ゲインの測定誤差
2.4 ループ・ゲインの条件を定量的に求める
ノイズやひずみを低減したり，インピーダンスを調整したり
第3章 サーボにより得られる効果
3.1 ひずみやノイズを減らす
3.2 出力インピーダンスを小さくまたは大きくする
3.3 入力インピーダンスを上げる
ステップ応答，ボーデ線図，ナイキスト線図，ニコルス線図の使い方
第4章
サーボの安定性は位相余裕で評価する
4.1 「サーボ効果」と「安定性」を両立させる
4.2 サーボ・システムを評価する四つのツール
4.3 安定性評価の指標は「位相余裕」
4.4 位相余裕が異なる五つのサーボ・システムの安定性
4.5 位相余裕はどうあるべきか
折れ線近似で合成！加減算でさまざまな特性の検討が容易に
第5章 周波数特性の検討に便利なツール…伝達関数
5.1 サーボ・コントローラでループ特性を最適化する
5.2 設計ツール 8種類の基本伝達要素
5.3 基本伝達要素の特性をシミュレーションで確認
直列や並列に接続したり，逆システムにしたり
第6章 複数の伝達要素の合成で新たな特性を作る
6.1 三つの基本伝達要素で作る
6.2 合成周波数特性は作図で求める
6.3 合成時間応答が求められる例
サーボ・コントローラの設計から過大振幅対策まで
第7章 実際にサーボ・ループを設計する
7.1 設計するサーボ・システム
7.2 サーボ・コントローラの周波数特性を設計する
7.3 サーボ・コントローラの実用上の問題対策
7.4 ソフトウェアによるサーボ・コントローラの実現
第2部 ブラシレス・モータの最適制御条件
波形から制御に必要なロータの回転角度を読み取る
第8章 制御対象であるモータの振る舞いを調べる
8.1 2種類のDCモータ
8.2 内部構造
8.3 回転角度と誘起電圧位相
8.4 回転用電力の供給方法
実際にモータを回転させて出力信号を測って調べる
第9章 駆動時に使うホールIC信号とロータ位置の関係
9.1 実験セットで実測する
モータの誘起電圧とモータ・コイル電流の位相関係
第10章 電力効率とトルク効率の最適制御条件
10.1 電力効率を上げる
10.2 トルク効率を上げる
最適制御条件で回転させたときの効果を計算する
第11章 高効率を実現するベクトル制御の導入効果
11.1 モータ・パラメータを数式化
11.2 ベクトル制御の導入効果を計算
代表的な「120°矩形波駆動」と「正弦波駆動」を比較
第12章 モータの駆動方法の検討
12.1 ベクトル制御には正弦波駆動が最適
12.2 正弦波駆動の電力効率とトルク効率
12.3 正弦波駆動における電圧利用率の改善
12.4 120°矩形波駆動の動作方式
12.5 120°矩形波駆動の電力効率とトルク効率
12.6 駆動波形による効率比較
12.7 モータ・コイル電流の検出
第3部 ベクトル制御サーボ・システムの設計
機械部もまとめて等価回路に！モータ負荷条件が変化したときも解析する
第13章 ブラシレス・モータの伝達特性を求める
13.1 ブラシレス・モータの等価回路
13.2 特性解析に使うモータ・パラメータ
13.3 電圧駆動時の特性をシミュレーションする
13.4 周波数特性とモータ・パラメータとの関係
13.5 電圧駆動時の静特性を求める
13.6 負荷条件変化時のモータ特性
13.7 電流駆動時のモータ特性
13.8 まとめ
多重ループ・サーボでトルク/速度/位置を制御する
第14章 モータ・サーボ・システムを設計する
14.1 多重ループ・サーボ・システムの設計
14.2 電流制御サーボ・ループの設計
14.3 速度制御サーボ・ループの設計
14.4 位置制御サーボ・ループの設計
14.5 モータ負荷条件変化時のサーボ特性
14.6 単一ループの速度制御
高効率制御を電圧・電流波形で確認する
第15章 サーボ・システムにベクトル制御を加える
15.1 ベクトル制御サーボ・システムの構成
15.2 座標変換器の機能
15.3 ベクトル制御を適用した電流サーボ・システム
15.4 速度制御サーボを加える
15.5 位置制御サーボを加える
15.6 ベクトル制御システムの周波数特性
15.7 スイッチング回路の周波数特性を測定する
Appendix LTspice解析結果の見方