建設機械の電動化における多モーター電⼒評価
統合計測ソフトウェアプラットフォーム IS8000
1．背景（Introduction）
地球温暖化問題の対策を背景に、自動車業界ではモーターを使ったxEV（電動車）*が登場している。建設機械業界においても同様に、CO2削減を目的としたモーターを使った高効率化、低コスト化を目指しながら電動化技術が進められている。掘削機であるショベルカーなどの建設機械は、エンジンにより油圧ポンプを回し油圧シリンダーの伸び縮みにより機器を動作させている。一方、xEVと同様な動力システムとして、エンジンだけをエネルギー源とする従来方式ではなく、エンジンを動かして発電モーターで発電しバッテリに電力を送って充電し、そこから供給されるエネルギーでインバータを駆動させ、旋回用モーターを動作させるハイブリット型ショベルなどの建機の開発が進められている。
*xEV（電動車）：電気自動車（BEV）、プラグインハイブリッド自動車（PHEV）、ハイブリッド自動車（HEV）、燃料電池車（FCEV）の総称
2．課題（Challenges）
建設機械である掘削機などの電動化では複数のモーターを機器に搭載する。評価段階ではこれらの全電力を測定する必要があるが、モーターの数が多いほど測定は困難になる。掘削機に搭載されたバッテリからのエネルギーをもとにインバータを駆動しモーターを回転させている。モーター測定ではバッテリからの供給電力、およびインバータからの出力電力を測定する必要があるため複数のモーターを測定する場合は電力計測器の入力数が足りなくなってしまう場合がある。また、個々のモーターを別々に測定する方法では総合的な消費電力がわからないため効率の良し悪しは簡単に評価できない。
すべてのモーターとインバータを同時に測定し総合的な電力計測を正確に行う場合、多くの入力を搭載した電力計を同時に使えば測定が簡単になる。また、総合電力を把握することで、バッテリ寿命評価や、バッテリのパフォーマンスを最大にするための制御方法の検討もできると考えられる。
このようなモーターとインバータを同時に測定する試験は多チャネル搭載できる波形測定器での測定をすることもあるが、波形測定器はトレーサビリティの取れた高精度な電力測定ができないため評価データの信頼性に欠ける。したがって、波形データの詳細形状確認と同時に電力測定器の電力データを使って測定し、より高精度で信頼性のあるデータ取得をしたい要望が増えてきている。
3．IS8000による課題解決（Solution）
4. IS8000による提案（Detailed description）
4.1 DL950、WT5000を使ったIEEE1588同期測定
波形測定器の波形演算機能を使って電力値を表示させる方法により電力値の検証を行うケースがあるが、測定波形とトレーサビリティのとれた高精度な電力値としての結果を得ることはできない。IS8000統合計測ソフトウェアプラットフォームは、IEEE1588時刻同期を使いDL950とWT5000を同時に接続*することで同期測定が簡単に可能になる。DL950とWT5000の同期誤差は約10μs*である。
DL950で取得できる最速20MS/s、8ch同時の連続波形データとともにWT5000の電力データ、およびトルク、回転速度、メカニカルパワーなどのデータをPCの同一時間軸上に表示できる。そのため、電力計データは波形データとともに時系列のトレンド表示ができるので微妙な電力変動などを確認できる。
たとえば実際に起こっている電力変動から異常波形データを確認し問題を発見することも可能になる。
* IEEE1588規格：ネットワーク上でつながる機器間の時刻同期に使用される高精度
時間プロトコル(PTP)。PTP=Precision Time Protocol
* DL950 IEEE1588マスター機能（時刻同期）(/C40オプション)が必要
* DL950 2台のIEEE1588同期の誤差は±150ns
* DL950 10Gbpsイーサネット(/C60オプション)が必要
* 2台の同期計測はIS8000 複数台同期オプション（/SY1）が必要
図1 2台のDL950/WT5000 IEEE1588同期測定
図2 WT5000 モーター評価機能の設定画面
4.2 オンラインモニターによるデータ確認と操作
オンラインモニター操作は、通信インタフェース経由で計測器をPCからリモートコントロールできる。
スコープコーダDL950あるいは電力計WT5000本体のタッチパネルスクリーン（コントロール画面）がPC画面に表示される。計測器本体の操作と同じように離れた場所にあるPC上で設定を自由に変更でき、測定波形や電力計データも確認できる。したがって、製品本体と異なるソフトウェアの操作を新たに覚える必要はない*。
2台接続したときも同時に2画面、PC上に表示できる。設定に問題がないようであれば、その後、波形データあるいは電力計データを収集できる。
コントロール室から離れた場所にあるDL950の波形をPC上で確認できるので、実験室とコントロール室を往復しながら波形データの保存や設定条件を変更するなどの手間を減らすことができ、効率的なデータ収集が可能になる。
*本体のタッチパネル操作。ハードキー操作は一部の操作のみ対応
図3 DL950リモートコントロール画面
図4 WT5000リモートコントロール画面
4.3 DLソフトウェアとWTソフトウェアの統合
オシロスコープと電力計のソフトウェアは別々のソフトウェアでデータ収集を行うため一般的にファイル形式が異なる。今回、新たに開発した統合計測ソフトウェアプラットフォームIS8000は、波形データと電力計データの同期測定という測定ニーズに合わせて１つの統合計測ソフトウェアとして使用できる。データ収集ソフトウェアを統一することでオシロスコープと電力計の設定方法を可能な限り同じ操作にしている。今までは別々に測定して保存していた方法に比べて、ファイルの整理や管理の業務を大幅に削減することが可能となる。
図5 波形チャネルと電力データの表示＆保存設定
図6 DL950とWT5000の複合測定データ表示例
4.4 連続波形保存中のファイル分割とプロジェクトファイル
一般的に波形データ記録中は連続してファイル書き込みを行っているが、長時間の試験を継続したまま測定が終わった波形を画面に表示させたいことがある。データの信頼性やデータ解析を並行して進めたいことがあるが、試験終了まで待たなければならないこともあり業務効率が悪い。
統合計測ソフトウェアプラットフォームIS8000はこのような不便さを解消している。通常、1つのファイルとして測定データを格納するが、IS8000は測定を継続しながらデータファイルを分割して保存できる。そのため、測定中でも分割されたファイルをオフライン解析として確認ができ、測定後は1つのリンクファイルとしてデータを扱える。リンクファイルの優れている点は、ファイルを分割する時間を設定、あるいは手動で分割することができるので測定の途中で解析したい場合はその時点でファイルを分割できる。測定終了後は分割ファイルのみでは扱いにくいため、全ファイルを1つの統合ファイルとして管理できる。DL950を2台使った場合やDL950とWT5000を組み合わせた測定においても同様に1つのファイルとして管理できるため大変便利である。
また、便利なプロジェクトファイル機能も搭載している。一般的に波形測定器と電力計のデータ収集を行う場合はそれぞれのファイル形式で測定データを保有する。そのため、別々に保存したデータを表示したい場合、時刻や時間軸情報を合わせて表示することは簡単ではない。IS8000統合計測ソフトウェアプラットフォームは個々のファイルを持ちながら1つのプロジェクトファイルとして管理できる。したがって、波形データファイルと電力データファイルを関連づけるために同じ名前をつけて保存する、あるいは測定データごとにフォルダを作成しその中に波形ファイルと電力データファイルを入れて管理するなどの作業が不要となる。
図7 リンクファイルと分割ファイル統合イメージ
4.5 確度保証された信頼性の高い電力データの活用
波形測定器の中に電力計データを演算する機能を搭載する機器が増えている。過渡的な現象においてもデータの同時性を確保できるため波形測定器で電力演算できることは大変便利であるが気をつけなければならない点がある。それは国家標準につながった電力データの確度保証である。
波形測定器は電圧プローブ、電流プローブを使って高帯域・高サンプルレートにより測定信号の形状を、より正確に捉えることが主な目的となっている。したがって、波形測定器を使って電力演算した結果は電力計で測定したデータとは異なり、確度保証がなく信頼性については慎重に検証する必要がある。一方、横河の電力計は国家標準につながる計測標準を高い精度で確立・維持しており、電力計データの電圧、電流、有効電力などにおいて信頼性の高いデータを提供している。
統合計測ソフトウェアプラットフォームIS8000は、電力トレーサビリティ*の取れたWT5000による電力計測とともにDL950による最速20MS/s、8chのデータ転送を可能としており、信頼性の高い電力計データと波形データを、同一時間軸上に同時表示できる。
*電力のトレーサビリティ：高精度電力計WT5000の性能を支える校正技術について
「高精度電力計を支える横河電機の電力校正技術」
図8 新電力校正システムのトレーサビリティ体系図
表1 電力データ校正成績表の例（一部抜粋）
4.6 波形と電力計データを使って自動レポート作成
自動レポート作成オプション（/RP1）を組み込むことによりPC上でレポートを作成し出力できる。レポートの構成は、レポート作成ウィザード機能を使うことで、レイアウト設定(イメージ表示付き)ができ簡単にレポートが作成できる。スコープコーダDL950あるいはプレシジョンパワーアナライザWT5000で測定、および保存したファイルをもとに、測定条件、波形出力や測定結果などを選択し、報告書をPDFやEXCELに出力することができる。
図9 レポート作成中の波形画像の挿入イメージ
*掲載されている画像等は実際の製品とは一部異なる場合があります。
*本アプリケーションの仕様は測定チャネル数や測定条件などにより制限されることがあります。
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