電子回路理論研究会コミュのLTspiceでLC共振回路を組みたい

はじめまして．現在大学院にて，特殊な駆動方式の電動モーターに関する研究を行っています．
「電子工作　若葉組」コミュニティーにて質問したところこちらを進められましたので，参加させていただきました．

研究している電動モーターはコイルが空芯であることがもとめられ，磁束密度をより高くするためできるだけ高周波での駆動が必要です．
空芯であるため，駆動力に利用できず素通りするエネルギーが多いため，コンデンサを並列につなぎ，LC共振回路とし，駆動力に利用できなかった電力を回収します．

LTspiceで画像のようなLC共振回路をくみ、まずコンデンサを充電し、コンデンサを電源から切り離して、次にコイルに接続して共振させコンデンサがコイルとの共振で再び充電されるタイミングで切り離し、電源とつなぎ不足分を補い、切り離し、コイルと接続し…

のような回路をシミュレーションしたいのですが、おそらくコンデンサとコイルの間の初期条件がなくなってしまうためうまくシミュレーションすることができません。
コイルとコンデンサの間にア―スを入れることでシミュレーションは出来るのですがそれをしてしまうと共振がうまくいかないので、つまづいています。

アドバイス等頂けると幸いです。
よろしくお願いします。

コメント(10)

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[2] mixiユーザー 04月14日 20:21

毎度ＪＯです。
誘導によりコチラのコミュへようこそ

以前の流れ
http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=66728972&comm_id=58434
http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=67571425&comm_id=58434
http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=69007855&comm_id=58434

ラボの実験レベルですので、電子回路の基本から見直さなければなりません
一般に見かける回路では対応が難しいかもしれません

実験レベルなので、公開出来ない事も有ろうかと思いますが、
出来る範囲で公開すれば、何か解決出来るアイデア等も得られるやもしれませんね

[3] mixiユーザー 04月14日 20:53

　当方、デバイス屋で回路屋でありませんが、分かる範囲でお答えします。的外れだったらお許しを。

>おそらくコンデンサとコイルの間の初期条件がなくなってしまうためうまくシミュレーションすることができません。

SPICEには初期条件設定の制御文があります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/SPICE_%28%E3%82%BD%E3%83%95%E3%83%88%E3%82%A6%E3%82%A7%E3%82%A2%29#.E5.88.B6.E5.BE.A1.E6.96.87.E8.A9.B3.E7.B4.B0

　これを追加しSPICEを走らせればOKです。LT SPICE環境は詳しくないのですが、おそらくLTのGUIにもネットをピックして初期電圧設定できるウィンドウがあるはずです。下記にそれらしい答えも転がっていました。
http://okwave.jp/qa/q6006886.html

　それと気になったのは、スイッチの寄生抵抗を入力しないとSPICEが走らない気がします。スイッチが閉じた直後、コンデンサに理論上、無限大の電流が流れますので計算不能に陥りませんか？

[4] mixiユーザー 04月15日 00:36

LTSpice特有の問題は分かりませんが、参考までに。

通常は、デバイスをモデリングします。
この場合、ＣとＬについて等価回路を考えなくてはなりません。
しかし、差し当たって、Ｌについては、他のｓｐｉｃｅでの経験上、直列に適当な値のＲを入れる事で収束します。
一度、Ｌのデバイスモデルに寄生するＲやＣに関する記載があるか見てください。
デバイスモデルを見ても分からない場合は、取り敢えずＲ（０．１～１Ω程度）を入れてみてください。
実情に合わせるには、Ｃも等価的にＬやＲが寄生しますし、ＬにもＣが寄生します。

[5] mixiユーザー 04月26日 18:06

回答くださった皆様．
質問しておきながら回答遅くなってしまい申し訳ありません．
言い訳させていただきますと授業はもちろんTA，PS，報告会，共同研究先への出向，自分の研究室は燃焼系の研究室で自分のテーマだけ何も燃えない異端なテーマで電気を毛嫌いする機械科の学生は入ってこないだろうと思っていたら，まさか後輩が付きまして．．．
電気は好きじゃないといっていました（汗）
お気の毒．

ここ数週間自分のタスク処理能力のなさを痛感しております・・・

>>ＪＯ＿Ｏさん
補足ありがとうございます．

色々と至らぬところがあり毎度大変申し訳なく思っています．

>>tino+.さん
どうやら初期条件がなくなってしまったわけではなく，過渡応答の変動が激しすぎ，エラーが起きてしまっていたようです．
コイル，コンデンサ等に寄生抵抗を加えていたので，計算不能には陥りませんでしたが，スイッチの寄生抵抗を追加しました．
ご指摘有難うございます．

>>夏生さん
LRC各素子については，意図通りの（理解できる範囲での）動きをしてくれるのですが，スイッチをトランジスタに変えた瞬間にうまくいかなくなります．

現状の報告といたしまして，Hブリッジの内側に共振コンデンサがある回路と，Hブリッジの外側に共振コンデンサがある回路で，シミュレーションした結果，後者ではスイッチにフリーホイリングダイオードを入れる（スイッチはIGBTを考えているため）と共振をうまくおこせないことがわかりましたので前者のﾊﾟﾀｰﾝで話を進めています．
結果といたしまして無事シミュレーション上ではモーターで仕事を発生することが出来ると分かりまして，シーケンサーのプログラミングの勉強に手をつけ始めました．
ただ問題なのは交流回路について自分の理解度がまったく足りておらず，インダクタンスを用いずオームの法則で仮に計算するなどしています．
変圧器でなぜ位相差が生まれるのか，そもそも生まれないのかという問題すら理解できていませんので，現在黙々と勉強中です．
電気は現象自体は魅力的ですが，フィーリングでは事象を考えにくいですね．．．

[6] mixiユーザー 04月27日 00:15

＞чμκ !さん
ＬＣＲについて、ＬＴＳｐｉｃｅ内で必要なパラメータを含んだモデルになっているものと思われます。
従って、正常なシミュレーションになっているのなら、次のステップに進むという形でよろしいかと存じます。
初期のSpice　(3f）などでは、発振や共振などには「切っ掛け」が必要ということを書かれている技術書もあったやに記憶しています。
お役に立てず、申し訳ありませんでした。

[7] mixiユーザー 04月29日 15:58

>>夏生さん
いえいえ、相談出来る人が周りにおらず孤独ですので回答くださると、とても嬉しいですし励まされます。
R成分を入れるのを忘れていた時もありました＾＾;

しかしながら減衰率は小さい方が効率がよいが、減衰率が小さい方がマイナスの駆動力が小さくなり―という本末転倒な解が得られまして…
仕方なくコンデンサが逆充電される回路とする事にしました。
1次側はLCR共振をつかって電力を伝送しますが、2次側の位相遅れなど、相互インダクタンスを考慮した2次側に流れる電流の計算などにつまづいております。
入力が単純なsin波でないだけでも、厄介なのに、空芯コイルしか使えないので、漏れ磁束を無視できず…

[9] mixiユーザー 05月01日 01:31

横で申し訳ないですが、老婆心から...

(1)そのままではシミュレーション時間が膨大になるため、通常 SPICE はデバイスモデリングや数値計算手法も含めて多くの近似を行っています。そのためスイッチング素子を含む回路のシミュレーションは一般に苦手とされているはずです。自分も学生時代にスイッチング電源のシミュレーションを SPICE で行った事がありますが、実機と動作をあわせる為に SPICE 上で色々チューニングを行う必要があり、何のためのシミュレーションか分からなくなった経験があります。
（LT SPICE は Liner Technology 製ですのでスイッチングに関しては何かしらの考慮がなされているかも知れませんが...)

(2)今回は電気系だけ扱っているようですが、電気-機械など複数のドメインの物理現象が絡むシステム（モーターなどはまさにその典型）ではどれか一つのドメインに着目してもまず有用なシミュレーション結果は得られないと思います。

このあたりは連成シミュレーションと言われていて、モータを設計するときは制御器、電気回路、機械、電磁界、熱等のシミュレーションを連携させて行っているようです。

MATLAB EXPO 2008 安川電機の事例
http://www.mathworks.com/tagteam/65793_mechatronics_instruments_simulation.pdf

で、何が言いたいかと言いますと...
結局シミュレーションはあくまでシミュレーション。実機と挙動が違うなど当たり前です。見たところ今回はかなりの大電力を扱うそうで、お一人で実験されるには電気系の知識が不足されているのではないかと感じます。冗談でも何でもなく甘く見ていると非常に危険です。実験しない訳には行かないと思いますが、大学には技官さんもおられると思いますので、事前に相談して協力してもらうなりして、安全にはくれぐれもご注意下さい。お願いします。

[10] mixiユーザー 05月01日 15:17

>>msさん
ありがとうございます。
スイッチングにより意図する共振を起こせるのかを確かめる最低限のシュミレ―ションでした。

それすら分からない自分が、てをつけるのは危険だということはわかりきっているので、数十ボルトから実験を始めたいとおもいます。

もう一度外注の件を打診してみます。
が、ただやってもらうというのでは間違いなく通らないず、こちらが後で仕様変更出来る必要があるので、綿密な打ち合わせを重ねられるような企業をさがしたいと思います。

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