システムデザインSystem Design

PART-III 電気電子システム設計(1)

小笠原悟司：システム変換学研究室

北海道大学工学部情報エレクトロニクス学科システム情報コース

2007/06/12

システム変換学研究室の紹介

� 研究分野はパワーエレクトロニクス(PE)PEは，電力用半導体デバイスのスイッチングを利用して電力を変換・制御・応用するエネルギー利用や省エネのキーテクノロジー

� 実験を重視した研究スタイルコンピューターシミュレーションだけではなく実証試験を実施

� 企業との共同研究

研究分野

•インバータ•マトリックスコンバータ•PFCコンバータ

•伝導性EMI•放射性EMI•軸電圧・ベアリング電流

•電気自動車•小水力発電•受電変圧器高調波損失

電力変換器電力変換器 電力応用電力応用電動機制御電動機制御

エネルギーエネルギー電磁環境電磁環境

•IPMモータ•ステップモータ•センサレス駆動•空転時始動

•アクティブフィルタ•自立分散電源

パワーエレクトロニクス(PE)とは？

•半導体技術，制御技術，電力技術の境界領域-電力変換回路(チョッパ，インバータ，ソフトスイッチング・・)-デバイス(GTOサイリスタ，パワーMOSFET，IGBT・・)-制御理論(現代制御，離散時間系，ロバスト，H∞・・)- ドライブ制御(V/f一定制御，ベクトル制御，センサレス)-電気機器(モータ，トランス，リアクトル・・・)-電力系統(アクティブフィルタ，SVC，FACTS)

•電子回路(アナログ，ディジタル)•μエレクトロニクス(マイコン，DSP，PLD，FPGA)•絶縁・放熱・実装技術(材料，レイアウト)•電磁妨害 EMI/EMC (コモンチョーク，EMIフィルタ，ACC)•応用範囲の拡大(産業用，電力，家電，自動車・・・)

エネルギー分野における基盤技術

講義のねらい

� 電気電子システムを設計する手法について体系的に概説する。

� いくつかのタイプの電気電子システムの設計過程を紹介し，設計のポイントを理解する。

� 電気電子システムの設計技術の基礎を習得する。

講義日程（予定）

� 6/12 講義概要，制御システム例

� 6/19 構成要素選定のポイント

� 6/26 制御システムの構成法

� 7/ 3 アナログ制御系設計

� 7/10 ディジタル制御計設計(1)� 7/17 ディジタル制御計設計(2)� 7/20 演習

電気電子システム

� 電気電子技術を利用したシステム(はっきりとした定義はない)

� それ自身が大きなシステムのサブシステムとなっていることもある

� 家電製品(テレビ，ラジオ，エアコン，・・・)

� 測定器(オシロスコープ，マルチメータ，・・・)

� 自動車にもさまざまな電気電子システムが使用されている

電気電子システムの例(DCモータのサーボ機構)

TG

AmpPI

速度指令

+

－

DCモータ

速度センサ

増幅器

DCモータの数学モデル(1)

DCモータの数学モデル(2)

DCモータのブロック線図(1)

DCモータのブロック線図(2)

DCモータの伝達関数

サーボ機構(P)のブロック線図DCモータ

速度制御器

サーボ機構(P)の性能を決めるパラメータ

サーボ機構(P)の性能

� ゲインを大きくするほど過渡特性，定常特性ともに良くなる。

� 実際にはノイズの影響などのためにゲインは無闇に大きくはできない

� ゲインを変えると過渡特性，定常特性の両方が変わってしまう。

� 原理的に定常偏差は無くせない

サーボ機構(PI)のブロック線図

DCモータ

速度制御器

サーボ機構(PI)の伝達関数

サーボ機構(PI)の性能を決めるパラメータ

サーボ機構(PI)の性能

� 原理的に定常偏差は無い。

� ゲインを大きくするほど過渡特性は良くなる。

� ゲインを大きくするほど振動的になる。

� PIの応答を速度制御系の応答よりも速くすることはできない。