BLDC モーター コントローラーの仕組み: 整流、PWM、および実際のチューニング

BLDC モーター コントローラーがどのように動作するか疑問に思ったことがあるのは、あなただけではありません。私たちは数十年にわたるマイクロモーターの製造を通じて、コントローラーに十分な注意が払われていないという理由だけで、優れた設計の多くのモーターが現場で故障するのを見てきました。ブラシレス DC モーターはチームプレーヤーです。ローター、ステーター、センサー、電子機器はそれぞれ同じリズムで動作する必要があり、コントローラーはそのリズムを保つ役割を果たします。

BLDC モーター コントローラーは実際に何をするのですか?

BLDC モーターには、ローターに永久磁石があり、ステーターに一連のコイルがあります。ブラシ付きモーターとは異なり、電流を切り替える機械的な整流子はありません。コントローラーはその仕事を電子的に実行する必要があり、ローターの位置に対して正確に正しい瞬間に実行する必要があります。

簡単に言えば、コントローラーは回転磁場を生成します。これは、DC から三相へのインバーター、ローター位置検出、電子整流、調整、および障害保護によって行われます。これらの機能が連携して、固定子巻線に送信される電流パルスのタイミングとシーケンスが決定されます。そのタイミングは、BLDC モーター コントローラーの動作の本質です。

ホールセンサーと6ステップ整流

ローターがどこを指しているかを知る最も簡単な方法は、ホール センサーを使用することです。これらの小さな磁気スイッチはモーターに取り付けられており、ローターの磁石がスイッチを通過すると論理信号を生成します。 3 つのホール センサーは 1 つの電気回転を 6 つのセクターに分割します。

6 ステップ整流は台形制御とも呼ばれ、古典的な制御方法です。各ステップで、コントローラーは 3 つのフェーズのうち 2 つに電力を供給します。1 つはハイに、もう 1 つはローに、3 つ目はオープンのままです。電気角 60 度ごとに、コントローラーはホール センサー パターンに基づいて次のセクターに進みます。

この単純な表は実用的な注意事項です。電子整流の手順を理解すると、ほとんどの配線と起動の問題の診断が容易になります。

センサーレス逆起電力制御

ホール センサーはコストがかかり、追加の配線が必要になるため、多くのコントローラーではセンサーレス制御が使用されています。ローターが回転すると、モーター自体が逆起電力電圧を生成します。コントローラーは、非励磁相でこの逆起電力のゼロクロスを測定し、ローターがどこにあるかを判断します。

ゼロクロスは通常、整流の瞬間ではありません。 6 ステップ制御では、コントローラーはゼロクロス後約 30 電気角待ってから転流します。正確な角度を調整して効率を高めたり、トルクを高めたりすることができます。

センサーレス制御にはよく知られている制限が 1 つあります。それは、速度がゼロでは逆起電力が存在しないことです。コントローラーはまず固定電圧パルスでローターを調整し、次に逆起電力が読み取れるほど十分に強くなるまで、時限整流または開ループ整流でモーターを立ち上げる必要があります。停止状態から最大トルクを必要とする負荷の場合、多くの場合、ホール センサー バージョンがより良い選択となります。

PWM、デッドタイム、および電流制御

転流はコントローラにどの相を接続するかを指示しますが、パルス幅変調はどのくらいの電圧を印加するかをコントローラに指示します。 DC バス電圧を固定周波数でチョッピングし、デューティ サイクルを変更することにより、コントローラーは巻線で見られる平均電圧を変更します。

PWM は速度を直接設定しません。駆動電圧を設​​定し、モーター速度と負荷によって最終動作点が決まります。これが、BLDC コントローラーが電流も監視する理由です。負荷が増加すると電流が増加しますが、優れたコントローラは巻線が過熱する前に電流を制限します。

高い PWM 周波数で特に重要となる詳細の 1 つはデッドタイムです。同じインバータ分岐内のハイサイドとローサイドのスイッチは、決して同時に導通してはなりません。コントローラーは、貫通電流を防ぐために、スイッチング イベントの間に短いブランキング期間を挿入します。

最新の BLDC コントローラーの制御ループ

完全なドライブでは、コントローラーは通常、複数のネストされたループを実行します。

• 電流ループまたはトルク ループは最も内側のループです。相電流を測定し、トルク指令に従うように PWM デューティ サイクルを調整します。
• 速度ループは測定速度と目標速度を比較し、トルク指令を出力します。
• 位置ループは、次のようなサーボ アプリケーションで使用されます。 産業用ロボット 。これにより、速度ループに修正すべき位置誤差が生じます。
• スタートアップ ループは、アライメント、開ループのランピング、および閉ループのセンサーレス動作への移行を処理します。

これらのループは 1 つの目標を共有しています。それは、モーターがスムーズで効率的なトルクを生成できるように、ステーター フィールドとローター フィールドを連携させ続けることです。

正弦波制御とフィールド指向制御

6段階制御はシンプルで安価ですが、電流が急激に切り替わるためトルクリップルや騒音が発生します。よりスムーズな 2 つの代替案は注目に値します。

正弦波制御は相電圧を徐々に変化させ、ステータ電流をより正弦波状にします。 FOC とも呼ばれるフィールド指向制御はさらに進化しており、三相電流を 2 つの成分 (トルクに関連する成分と磁束に関連する成分) に変換し、それらを独立して制御します。 FOC は、非常にスムーズな低速動作、静かな音響、および高速な動的応答を実現します。

多くの人にとって 扇風機 およびポンプ用途では、6 ステップも引き続き許容されます。しかし、ノイズや効率が重要な場合は、モーター自体を変更するよりも、より高性能なコントローラー戦略の方が大きな違いを生む可能性があります。

コントローラーとモーターの適合

完璧な制御アルゴリズムであっても、ハードウェアの制限が間違っていれば失敗します。確認する主なパラメータは次のとおりです。

• コントローラの定格電圧と最大動作電圧。
• ストール電流を含む連続電流およびピーク電流定格。
• 相抵抗とインダクタンス。電流がどれだけ早く立ち上がるかに影響します。
• センサーベースの制御のためのホールセンサーの調整。
• PWM 周波数とデッドタイム、特に低インダクタンスモーターの場合。
• 過電流、過熱、不足電圧遮断などの保護機能。

私たちの経験では、モーターとコントローラーを適合するセットとして選択すると、数週間のデバッグが節約されます。あるコントローラー タイプ向けに設計されたモーターは、別のコントローラー タイプでは動作が大きく異なる場合があります。

実践的なテストとトラブルシューティング

BLDC モーターがけいれんしたり、過熱したり、同期を失ったりする場合、多くの場合、モーターではなくコントローラーの設定に障害が発生しています。短いテストルーチンが役に立ちます。

1. モーターリード線の各ペア間の DC 抵抗を測定します。 3 つの測定値はほぼバランスが取れている必要があります。
2. ローターをゆっくり回転させ、ホール センサーのシーケンスを記録します。予想される 6 セクター パターンと一致する必要があります。
3. オシロスコープと電流プローブを使用して相電流を観察します。きれいな台形波形または正弦波波形をチェックします。
4. モーターを無負荷状態で運転し、次に負荷をかけた状態で運転します。コントローラーは過剰な電流が流れることなく速度を維持する必要があります。

モーターがけいれんして始動できない場合は、ホール配線と始動ランプを確認してください。負荷がかかって同期が失われる場合は、電源電圧の低下やタイミングの進みが正しくないかを調べてください。熱くなる場合は、電流制限を下げるか、PWM 周波数を調整するか、冷却を改善してください。

私たちのワークショップから製品まで

30 年以上マイクロモーターを作り続けてきた結果、私たちはコントローラーの動作がモーター設計の一部であることを学びました。コントローラーは、ワイヤーゲージ、磁石のグレード、ベアリングシステムと同様に注意して選択する必要があります。適切に巻かれたモーターと適切に調整された電子コントローラーを組み合わせると、信頼性が高く、静かに動作する製品が得られます。

良い例の 1 つは、ドローン用途向けのコンパクトなブラシレス モーターです。急速な整流と厳しい電流制限に対応できるセンサーレス コントローラーと自然に組み合わせられます。モーターとコントローラーは電気的に通信する必要がありますが、その接続が可能な限り簡単になるようにしています。

ポンプ、ファン、ロボット、またはツールを設計している場合は、コントローラーがシステムの頭脳であることを忘れないでください。 BLDC モーター コントローラーがどのように動作するかを理解することは、適切な質問をし、適切なモーターを選択し、より信頼性の高い製品を市場に投入するのに役立ちます。