ステッピングモータ、DCモータ、モータドライバの概要

PDFのダウンロード

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

ステッピングモータの主な部品は次のとおりです。

1. ロータ : ロータ (シャフトに接続されている) は、ステッピングモータの回転部品です。ロータには、固定子と相互作用するときに動きを生み出す歯または磁極があります。
2. 固定子 : 固定子は、モータの固定された部分です。固定子には磁場を生成するワイヤのコイルがあります。これらのコイルは位相と呼ばれるグループに編成されます。
3. 巻線フェーズ : ステッピングモータはバイポーラまたはユニポーラのいずれかで、バイポーラ ステッピングモータには2つの巻線の位相があり、ユニポーラ ステッピングモータには4つの巻線の位相があります。各位相は固定子の1つの巻線に関連付けられています。
4. パルスと制御 : ステッピングモータを回転するには、一連の電気パルスを巻線の位相に送信する必要があります。これらのパルスの順序とタイミングは、各ステップの方向と距離を決定するために使用されます。

図1にステッピングモータの断面図を示します。

図1 : ステッピングモータ

ステッピングモータは個別のステップで動作するため、非常に高精度です。さらに、保持トルクを最大化するように設計されているため、最大電流を維持する必要があり、ロボット工学やカメラのジンバルなどの位置保持作業に最適です。

DCモータ : ブラシ付きDCモータおよびブラシレスDCモータ

DCモータは電気エネルギーを機械運動に変換し、電磁誘導に基づいて動作します。これらのモータは、回転部品と静止部品の間に磁場を生成します。この磁場がロータを動かし、モータが回転します。DCモータには、ブラシ付きDCモータとブラシレスDC (BLDC) モータの2つの主なタイプがあります。

図2はブラシ付きDCモータを示し、ブラシ付きDCモータの主要部品を以下に説明します。

1. ロータ : ロータ (または電機子) は、コアの周りに巻かれたワイヤのコイルです。ステッピングモータのロータと同様、ブラシ付きDCモータの回転部品であり、固定子に接続されています。
2. 固定子 : 固定子は固定されており、1つ (または複数) の永久磁石または電磁石で構成されています。固定子はロータの磁場と相互作用する磁場を生成し、ロータの回転中にトルクが発生します。
3. 整流子 : 整流子は、ロータシャフトに取り付けられたリングです。整流子は回転子の巻線に電気的に接続されています。整流子はロータの巻線に流れる電流の方向を反転させることができ、これによりモータが動くことができます。
4. ブラシ : ブラシはカーボンまたはグラファイトで作られた固定ブロックで、整流子にブラシを当てます。これらはモータの動作を可能にする電流を伝導します。

図2 : ブラシ付きDCモータ

図3にBLDCモータを示します。BLDCモータにはブラシがないため、通常、磨耗が少なく信頼性が高く、寿命が長くなります。BLDCモータは、複数のコイルを備えた固定子と、ロータ上に永久磁石または電磁石を備えています。電子転流を使用し、コントローラを利用して固定子巻線の電流を制御します。

図3 : BLDCモータ

DCモータの場合、印加された電流によってトルクが発生します。DCモータは、コンピュータのハードドライブ、おもちゃ、太陽光追尾システムなどのアプリケーションに推奨されます。

ステッピングモータドライバとDCモータの比較

ステッピングモータ、ブラシ付きDCモータ、およびBLDCモータは、それぞれが特定のアプリケーションに適した長所と短所を備えた異なるタイプの電気モータです。これらの重要な違いのいくつかを以下に説明します。

動作 / 制御性

ステッピングモータは、開ループシステム内で動作できます。つまり、モータの正確な位置は、モータに送信される正確なステップ数またはパルス数によって決まります。ステッピングモータは離散的で簡単に定量化できるステップで動作するため、位置制御は必要ありません。ただし、ステッピングモータには、モータの速度と方向を調整するためにマイクロコントローラ (MCU) などの外部デバイスが必要です。

ブラシ付きDCモータは、カーボンブラシを介してロータに接続されたDC電源によって電力を供給されます。単純なブラシ付きDCモータは開ループシステム経由で制御できますが、より高度なモータにはフィードバックメカニズムが必要になる場合があります。通常、これらのモータは外部コントローラを必要とせず、簡単に調整できます。たとえば、モータの電圧を調整すると速度が変わります。

BLDCモータは閉ループシステムで動作する必要があり、高精度を実現しますが、スムーズな動作のためには追加の制御回路が必要です。

ライフサイクル

ステッピングモータはシンプルなため信頼性が高く、4～5年以上、または約10,000時間使用できます。

DCモータも比較的信頼性が高いですが、ブラシ付きDCモータはブラシによる故障を防ぐために継続的なメンテナンスが必要で、メンテナンスが必要になるまでの一般的な寿命は数千時間です。

ブラシレスDCモータは、ブラシによる機械的磨耗が発生しないため、ブラシ付きDCモータよりも寿命が長く、10,000時間以上動作できます。

効率とノイズ

ステッピングモータは熱放散によってエネルギーを失うため、効率が低下する傾向があります。さらに、ステッピングモータは常に最大電流で動作するため、大量のエネルギーを必要とします。DCモータの方が効率が高く、ブラシレスDCモータはブラシの摩擦によるエネルギーの損失が少ないため、最も効率的です。

ノイズの発生に関しては、ステッピングモータがその個別のステップにより最も多くのノイズを発生します。その結果、モータが連続した速度で回転すると、ヒューヒューという音やラチェット音が発生します。ブラシ付きDCモータはノイズは少ないですが、ブラシが整流子の上を通過すると、やはり騒音が発生します。予想通り、BLDCモータが発生するノイズが最も少なくなります。

概要

表1は、ステッピングモータとDCモータの両方の長所、短所、および一般的なアプリケーションの概要を示しています。

表1 : ステッピングモータとブラシ付きDCモータ

モータドライバIC

すべてのモータには、モータの動作方法を制御および管理するモータドライバIC (単にモータドライバとも呼ばれる) が必要です。モータドライバは、モータの速度、方向、および場合によっては信頼性の高い効率的な動作を保証するその他のパラメータを調整するために使用されます。モータドライバには、電気信号を増幅してモータに電力を供給して制御するなど、いくつかの異なる機能があり、正確な速度制御を可能にし、過電流保護 (OCP) や過熱保護 (OTP) などの堅牢な保護機能を備えています。

MPSはステッピングモータドライバとブラシ付きDCの両方またはBLDCモータドライバを提供し、これら3種類のモータで使用できます。MPSのモータドライバICのいくつかについて以下で説明します。

MPSのステッピングモータドライバ

MP6605ファミリは、MP6605C、MP6605D、およびMP6605Eから成ります。これらの部分は同じ主な機能と、さまざまな制御インタフェースを提供します。これらは、ユニポーラ ステッピングモータ用のローサイドMOSFET (LS-FET) とハイサイド (HS) クランプダイオードを統合した4チャンネル ローサイドドライバICです。図4は、MP6605Cの代表的なアプリケーション回路を示します。

図4 : MP6605C

3つの部品はすべて4.5V～60Vの入力電圧 (V_IN) 範囲で動作し、小型のQFN-24 (4mm x 4mm) パッケージで提供されます。さらに、最大1.5Aの出力電流 (I_OUT) を供給でき、そしてOCP、OTP、低電圧誤動作防止機能 (UVLO) などの保護機能を備えており、入力電圧 (V_IN) が不十分な場合にデバイスが動作しないようにします。

これらの部分の違いは、制御インタフェースです。MP6605CはI²Cインタフェース経由で制御されます。MP6605Dはパラレルインタフェース経由で制御されます。つまり、個別の入力ピンが各出力を制御します。最後に、MP6605Eは、3つのセンサの入力の状態を読み取りながらMP6605Eの出力にデータを送信するシリアル (SPI) インタフェースを介して制御されます。

MPSのブラシ付きDCモータドライバ : MP6612ファミリ

MP6612は、可逆負荷を駆動するように設計されたHブリッジ モータドライバです。出力はIN1ピンとIN2ピンを介して制御されるため柔軟性が高まり、デバイスは1つのDCモータ、1つのステッピングモータ巻線、およびその他の負荷を駆動できます。このブラシ付きDCモータは、デバイスがブレーキ モードで無効になった場合に低い静止電流 (自己消費電流) をもち、デバイスをアクティブにする必要がないときの消費電力を削減します。

保護のために、MP6612はOCP、OVP、およびOTPを提供します。これらの保護には、故障が発生した場合に設計者に通知できる故障表示もあります。さらに、MP6612はUVLOを提供します。熱効率を高めるための露出サーマルパッドを備えたTSSOP-20パッケージで提供されます (図5参照)。

図5 : MP6612の3D画像

MP6612は、多くのアプリケーションのニーズを満たすことができる、類似の部品の大規模なファミリの一部です。たとえば、MP6612Dは負荷電流に比例した出力電圧 (V_OUT) を供給できる電流検出回路を提供する同様の部品です。

一方、MPQ6612A-AEC1はMP6612およびMP6612Dと同様の車載グレードの部品ですが、AEC-Q100 グレード1の定格を取得しているため、ドアハンドルや電子ロックなどの車載アプリケーションで使用できます。

MPSのBLDCモータドライバ

MP6546は、I²Cインタフェースを備えた3相BLDCモータドライバで、保護、動作モード、角度などの設定可能なパラメータを提供します。このデバイスは、フィールド指向制御 (FOC) ロジックと角度計算を使用して、正確なモニタリングを実現しました。MP6546は、OCP、OVP、UVLO、およびデバイスを過電流状態から保護する短絡保護 (SCP) の故障表示を提供します。

このデバイスは、マルチスレーブモードと単一のI²インタフェースバスに接続された3軸のジンバルに対応します。そして各スレーブユニットは独自の角度を計算し、I²インタフェース経由でモータを制御できます。

MP6546は、磁気角度センサ入力モードとリニアホールセンサ入力モードの両方で動作可能です。つまり、両方の位置フィードバック方式に対応できます (図6参照)。磁気角度センサ入力モードでは、MP6546はMPSのMagAlpha磁気角度センサシリーズと連携できます。リニアホールセンサ入力モードでは、デジタルコアが角度を計算できるように、デバイスはHAおよびHB信号をアナログデジタルコンバータ (ADC) に送信します。

図6 : 入力モード (左 : ホールセンサ、右 : 磁気角度センサ)

MP6546は汎用性の高いBLDCモータドライバであり、設定可能なため、最小限の追加作業やテストでさまざまなシステムに実装できます。

結論

本稿では、さまざまなモータタイプとそれらに対応するモータドライバICを紹介し、説明しました。ステッピングモータは、個別のステップで動作する信頼性の高い高精度モータです。DCモータは、電圧と電流によって柔軟に制御され、電気エネルギーを機械的な動きに変換します。ステッピングモータは高精度ですが、DCモータほど効率的ではありません。

モータには、モータの速度と方向を決定してモータを保護および制御できるモータドライバ ICが必要です。MPSはさまざまなステッピングモータドライバを提供しますが、この記事ではMP6605Cを含むMP6605ファミリに焦点を当てました。さらに、MPSは MP6612のようなブラシ付きDCモータとその変異型、MP6546のようなBLDCモータドライバを提供します。産業および自動車市場向けの多くのアプリケーション向けに設計された、MPSのモータドライバのすべての製品一覧をご覧ください。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!