ブラシ付きDCモータおよびBLDCモータ : パラメータ、動作、DCモータドライバ
はじめに
DCモータは、電気エネルギーを機械的な動きに変換する機械であり、その多用性により、小型家電製品や産業機械に使用できます。DCモータは電磁相互作用に依存しています。これらはシンプルで効率的で多用途です。
本稿では、ブラシ付きDCモータとブラシレスDC (BLDC) モータという2つの一般的なタイプのDCモータに関連する部品、動作、パラメータ、計算について説明し、これらのソリューションで使用できるモータドライバを紹介します。
DCモータのパラメータ
ブラシ付きかブラシレスかにかかわらず、DCモータにはいくつかの重要なパラメータがあり、アプリケーションに対して最適なモータを決定するために検出、モニタ、さらには計算する必要さえあります。
図1は、モータドライバのパラメータの概要を示しています。これについては、以下でさらに詳しく説明します。
図1 : DCモータのパラメータ
1. 電圧 : 電圧はモータにかかる電位差のことです。モータの電圧は、モータの速度、トルク、出力電力 (POUT) などの他のパラメータに関連するため、非常に重要です。たとえば、電圧が高いほど速度は速くなります。DCモータは電圧によって制御することもできます。電圧を調整するとモータの速度が変更され、モータの方向が逆転することもあります。電圧を下げるとモータの速度が遅くなり、電圧がゼロに低下すると、モータが停止します。
すべてのモータには動作電圧範囲があります。モータが効果的かつ安全に動作するように、モータの電圧を動作範囲内に維持することをお勧めします。
2. 電流 : 電圧が印加されると、モータに電流が流れます。電流はトルクに対して直線的に関係し、電圧が一定の場合、トルクが増加すると電流が増加します。電流を上げると同時にPOUTも増やすことができますが、電流を動作範囲内に保つことが不可欠です。過電流 (OC) 状態はモータに過負荷を与え、過熱を引き起こす可能性があります。
電流は電圧ほどモータの速度に影響を与えませんが、モータの速度を微調整するために使用できます。
3. トルク : トルクはモータの回転力の測定値です。モータの回転力は非常に重要であり、最大トルクはモータを選択する際に考慮すべき主なパラメータの1つです。トルクは、ベルトコンベアの走行や重機の回転など、モータの機械的抵抗や負荷を克服するのに十分な大きさでなければなりません。
モータが動作し始めると、加速するために高いトルクが必要になります。さらに、適切な時間内でモータを減速できなければならない減速トルクもあります。MRI装置などの特定のアプリケーションでは、高い連続トルクを備えたモータが必要ですが、ロボットアームなどのアプリケーションでは、信じられないほどの高トルクを爆発的に供給できるモータが必要です。
トルクは、 式 (1) で計算できます :
$$T=K \times I$$ここで、Iは電流、Kはモータ固有のトルク定数です。
4. 速度 : モータの速度はモータがどれだけ速く回転するかを表し、通常は1分あたりの回転数 (rpm) で表されます。速度はモータにかかる負荷に反比例します。負荷が増加するとモータの速度が低下します。モータの電圧を上げると、モータの速度を上げることができます。
効率を最適化するために、モータは特定の速度で動作する必要がある場合があります。DCモータは、モータの負荷や電圧を変更することで速度を調整できるため、コンベアベルトやファンなど、速度の変化が必要なアプリケーションによく使用されます。多くのアプリケーションでは、モータが特定の速度を維持する必要がある場合があります。このシナリオでは、フィードバック コントローラ (エンコーダなど) を使用して、他のパラメータや負荷の変化に関係なく速度が一定に保たれるようにすることができます。
DCモータの場合、速度とトルクには相関関係があり、モータは低速ではより高いトルクを生成し、高速ではより低いトルクを生成します。
5. 効率 (η) : モータの効率は、DCモータが電力を機械動力にどれだけ効果的に変換するかを測定します。効率が高いということは、モータがタスクを実行するために使用する電気エネルギーが少なくなることを意味し、バッテリー駆動のデバイスや電気自動車にとって最適です。モータの効率が向上すると、電力供給とメンテナンスのコストも削減されます。発生する熱が少ないため、過熱を防ぎ、より長く使用できます。
特定の市場では、安全性や環境への懸念から、モータが満たさなければならない効率基準があります。より効率的なモータは初期コストが高くなりますが、より長く機能し、ライフサイクル全体でのコストは低くなります。
ブラシ付きDCモータ : 部品と動作
ブラシ付きDCモータは、回転運動を必要とする幅広いアプリケーションに適したコスト効率の高いデバイスです。ブラシ付きDCモータは4つの主要部品で構成されています。図1はブラシ付きDCモータのすべての部品を示しており、主な部品について以下で説明します。
図1 : ブラシ付きDCモータ
ブラシ付きDCモータの動く部分はロータと呼ばれます。ロータは、ワイヤのコイルが巻かれた円筒であり、出力軸に接続されています。ロータに取り付けられたコイルが回転し、シャフトを駆動します。
固定子は ロータに接続された固定部品です。ロータはコイル線で囲まれていますが、固定子は一組の永久磁石または界磁巻線で構成されています。
整流子はロータシャフトに取り付けられ、巻線に接続されます。整流子は、ロータが回転するにつれてロータの巻線を流れる電流の方向を変えます。
ブラシはブラシ付きDCモータの最後の主要部品です。ブラシは外部電源から整流子に電力を伝達し、多くの場合カーボンまたはグラファイトでできています。
ブラシ付きDCモータは、以下のプロセスに従うだけで比較的簡単に動作します。
- 外部電圧がブラシ間に印加されると、電流がブラシから整流子を通ってロータの巻線に流れます。
- 巻線を流れる電流により磁場が生成され、これによりロータが固定子の磁場と相互作用します。この相互作用によりロータが回転します。
- 整流子は、モータが回転すると、回転子巻線を流れる電流の方向を周期的に反転します。
- 整流子が電流を反転し続ける間、ロータは回転し続けます。
ブラシ付きDCモータの信頼性の高い動作を保証するために、モータドライバICを使用してモータの動きを制御し、保護機能を提供します。
ブラシ付きDCモータドライバ
MPSは、おもちゃや自動車のドアロックなどのアプリケーション向けに、ブラシ付きDCモータとソレノイドを駆動できるHブリッジドライバを提供します。これらのドライバは、保護機能、速度とトルクを制御するメカニズム、およびプリント基板全体のサイズを削減する高集積を提供します。
MP6615はHブリッジDCドライバで、プリント基板のレイアウトと熱条件によって異なる最大8Aの連続出力電流 (IOUT) を供給できます。この製品には、4つのNチャネルパワーMOSFETで構成されるフルブリッジのほか、プリドライバ、ゲートドライバ電源、および電流検出アンプがコンパクトなTQFN-26 (6mm x 6mm) パッケージに統合されています (図2参照)。電流検出アンプは、両方の出力に流れる電流を検出します。
図2 : MP6615の3D画像
デバイスの内部チャージポンプはゲートドライバ電圧を生成し、100%のデューティサイクル動作に対応します。このデバイスには、部品の動作を制御したり、強制的に高インピーダンス (Hi-Z) 状態にしてモータを惰性運転させたりする3つの異なる入力モードがあります。MP6615には、低電力スリープモード用のnSLEEPピンもあり、バッテリー駆動のアプリケーションに最適です。
保護機能には、過電圧保護 (OVP)、過電流保護 (OCP)、サーマルシャットダウンが含まれており、異常な動作条件によるモータやドライバの損傷を防ぎます。MP6615は、中電流の産業用アプリケーションに推奨されます。
MPQ6615-AEC1は MP6615の車載グレードバージョンです。また、4つのNチャネルMOSFETを備えたHブリッジモータドライバでもあり、連続8AのIOUTを供給できます。このデバイスはMP6615とほぼ同一で、同じ機能と保護を備え、AEC-Q100 グレード1の認定も受けています。そのアプリケーションには、車両のドアロック、ラッチモータ、シート アクチュエータなどがあります。
ブラシレスDC (BLDC) モータ : 部品と動作
ブラシ付きDCモータとBLDCモータの主な違いはモータにブラシがあるかどうかですが、BLDCモータには動作に影響する追加の違いがあります。
BLDCモータには、電磁石の巻線を含む固定子 (固定部品) があります。これらの巻線は、ロータと相互作用して動きを生み出す磁場を生成します。ロータは、通常永久磁石を含む回転部品です。これらの磁石は磁場と相互作用してトルクと動きを生成します。ロータはベアリングによって支持されており、摩擦を最小限に抑えてスムーズな動作を実現します (図3参照)。
図3 : BLDCモータ
BLDCモータには、ロータの位置を検出してコントローラにフィードバックを提供するセンサ (ホール効果センサなど) が搭載されていることがよくあります。センサは、固定子のどのコイルを動かすために通電する必要があるかを判断するために不可欠です。BLDCモータには、転流を提供し、速度またはトルク制御を実装するコントローラが必要です。
ブラシレスDCモータは、以下の簡単な説明に従い動作します。
- ロータが回転すると、センサ (ホール効果センサなど) が磁石の位置を検出します。この情報はコントローラに送信されます。
- センサからのフィードバックによって、どの固定子コイルに通電するかが決まります。これらの固定子が順番に通電されると、そのシーケンスによって回転磁界が生成されます。
- ロータの磁石は、固定子のコイルによって生成される磁場と一致します。これによりトルクが発生し、モータが回転します。
モータ、さまざまなコイルに通電することで方向と速度を維持します。
ブラシレスDCモータドライバ
MPSの統合BLDCモータドライバICは、低いオン抵抗 (RDS(ON)) パワーMOSFETを使用して、信じられないほど小型のシングルチップソリューションを実現します。これらのBLDCモータドライバは、ブラシレスDCモータと同様に駆動できると同時に、 永久磁石同期モータ (PMSM) は、電動自転車、電動工具、自動車アプリケーションで使用できます。
MP6545は、BLDCモータおよびその他の負荷用に設計された三相電力段ICです (図4参照)。
図4 : MP6545の代表的なアプリケーション回路
OCP、OVP、サーマルシャットダウン、およびnFAULTピンを介した故障表示を伴う低電圧誤動作防止機能 (UVLO) を提供します。4.5V～45Vの広い入力電圧 (VIN) 範囲に対応し、位相あたり最大2.5AのIOUTを供給します。これは、小型のQFN-28 (4mm x 5mm) パッケージと熱強化されたTSSOP-28EPパッケージの2つの異なるページで提供されます。
MP6545は、MP6545A、MPQ6541-AEC1、そしてMPQ6541A-AEC1を含む同様の部品ファミリーの一部です。これらの部品は、電流検検知、堅牢な保護、低RDS(ON)のMOSFETも提供します。
MPQ6541-AEC1はMP6545の車載グレードバージョンで、3相すべてにイネーブル (EN) およびパルス幅変調 (PWM) 入力を統合しています。MP6545と同様に、MPQ6541A-AEC1はHSx、およびLSx入力を備えています。MPQ6541-AEC1とMPQ6541A-AEC1は両方とも100%のデューティサイクルで動作でき、LiDARのような車載アプリケーションで使用できます。
結論
以前説明したように、DCモータは電気エネルギーを機械運動に変換し、モータを回転させます。本稿では、ブラシ付きDCモータとブラシレスDC (BLDC) モータの機能と部品について説明し、その重要なパラメータと、ソリューションをさらに最適化できるモータドライバICをレビューしました。
DCモータは非常に用途が広く、効率的、制御可能であるため、スマートホームデバイスだけでなく、高度に専門化された医療産業や自動車市場など、多くのアプリケーションにとって最適な選択肢となっています。幅広い機能を備えたMPSのWebサイトをご覧ください。アプリケーションに最適なソリューションを提供するように設計された、幅広いブラシ付きDCモータドライバとBLDCモータドライバを揃えたMPSのWebサイトをご覧ください。
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