DCモータ・ドライブのエネルギーリサイクル

Pete Millett / シニアテクニカルマーケティングエンジニア、MPS

はじめに

永久磁石モータ・ドライブで移動質量を減速する場合、機械システムに蓄積されたエネルギーは、モータ・ドライバを介して電源に戻される場合があります。このエネルギーが適切に考慮されていない場合、電源電圧の上昇を引き起こし、モータ・ドライバまたはシステムの他の部分に損傷を与える可能性があります。

本稿では、このエネルギーを安全に放散する方法を見ていきます。例を簡略化するために、DCブラシモータが示されています。これはブラシレスモータシステムにも当てはまります。

エネルギーの保存

エネルギー保存は物理学の基本原理です。エネルギーを創造したり破壊したりすることはできません。

何か (質量など) が移動または回転しているとき、それは運動エネルギーを蓄積します。モータシステムでは、その運動エネルギーは、モータに電気エネルギーを提供する電源から供給され、トルクを生成して質量を加速します。

Tモータのロータの慣性とモータに取り付けられた機械システムの両方にエネルギーが蓄えられます。簡単にするために、機械システムをモータシャフトに結合されたフライホイールとして想定します (図1を参照)。

 図1: 機械システムのフライホイールの例

運動エネルギーは、½ Iω²を用いて計算することができます。ここでIは慣性モーメント、ωは角速度です。速度が速いほど、また慣性が大きいほど、より多くのエネルギーが蓄えられます。

これは非常に明白な概念です。何かを動かすにはエネルギーが必要です。あまり明白ではないのは、モーションを停止したいときに何が起こるかです。移動する質量を停止または減速するには、蓄積された運動エネルギーをどこかに移動する必要があります。しかしどこに?

回転するモータから電源を切断すると、移動する質量に蓄積されたエネルギーがシステムの機械的損失に消費されます。このエネルギーのほとんどは、摩擦によって熱に変わります (図2を参照)。大きな摩擦がない限り、モータは惰性で回り非常にゆっくりと停止します。モータは発電機になりますが、電流が流れる経路がないため、モータを停止させる電磁トルクがありません。

 図2: 停止するモータの摩擦

モータの出力を短絡することによってこの発電機から電流が流れる経路が提供される場合、電流は回転方向と反対のトルクを生成します (図3を参照)。これにより、モータがすぐに停止します。この場合、エネルギーは主にモータの巻線抵抗と電流経路の抵抗で熱として放散され、モータを短絡させます。

図3: 回転に対抗するトルク

これは「ショートブレーキ」と呼ばれることもあります。 実際には、短絡は通常、HブリッジのローサイドMOSFETをオンにして電流経路を提供することによって適用されます。

制御システムがモータの速度を急速に低下させたい場合、モータに適用される電流の極性を逆にして、運動に対抗するトルクを提供します。これが行われると、蓄積された運動エネルギーは、モータ・ドライバ回路を介して電源に戻されます。

電源が完璧なバッテリであれば、エネルギーはバッテリに逆流してリサイクルされます。ただし、現実の世界では、電源は通常DC電源であり、この電源が特別に設計されていない限り、DC電源は電流を供給することしかできません。それは電流を吸い込むことができないので、エネルギーが行かなければならない唯一の場所は、電源の一部である静電容量にあります。

コンデンサに蓄積されたエネルギーの量は、½ CV²を用いて計算することができます。 ここで、Cは静電容量、Vは電圧です。コンデンサの両端の電圧は、エネルギーがコンデンサに流入するにつれて増加する必要があります (図4を参照)。

図4 : エネルギーの増加に伴うコンデンサ電圧の増加

エネルギー量が少ない場合 (速度が遅い場合やイナーシャが小さい場合)、電圧上昇は問題ない程度に小さい場合があります。ただし、場合によっては、エネルギーが多すぎたり、静電容量が不足していると、電圧が破壊的なレベルまで上昇することがあります。これにより、モータ・ドライバ回路または同じ電源に接続されている他の回路が損傷する可能性があります。

エネルギーの散逸

電源にリサイクルされているエネルギーに対処する方法はいくつかあります。1つは、電源に大きな静電容量を設けることです。場合によっては、これで必要なすべてになることもありますが、ほとんどの場合、物理的またはコスト上の制約のため、大きなコンデンサは実用的ではありません。

エネルギーを処理する別の方法は、TVSやツェナーダイオードなどの半導体クランプデバイスを電源全体で使用することです (図5を参照)。クランプは、電源の通常の動作電圧のすぐ上で故障するように設計されています。リサイクルされたエネルギーによって電圧が上昇すると、クランプが壊れてシステムを保護します。電源に戻されたエネルギーは、クランプ装置で熱として放散されます。

エネルギー量が控えめであれば、この解決策は単純で簡単です。

図5: エネルギーを放散するために使用される半導体クランプ

大規模なシステムでは、放散する必要のあるエネルギー量が多すぎるため、単純なクランプを使用することは実際的ではないことがよくあります。このような場合、アクティブクランプ回路を使用してエネルギーを抵抗負荷に放散することができます。

図6: エネルギーを放散するために使用されるアクティブ回路クランプ

クランプ回路は、コンパレータまたは同様の回路を使用して供給電圧を監視することによって機能します (図6を参照)。電圧が事前設定されたしきい値 (通常の動作電圧のすぐ上) を超えると、負荷抵抗が電源の両端で切り替えられ、エネルギーが消費されます。

結論

本稿では、エネルギーを機械システムからモータそして電源にフィードバックする方法と、モータ駆動電子回路でエネルギーを処理する方法の概要を説明しました。特定のシステムの部品値を適切に決定するために必要な計算は本稿の範囲を超えていますが、静電容量とクランプ部品の計算を含む詳細は、アプリケーションノート、AN132「入力コンデンサと過電圧保護回路デザイン」 に記載されています。これはhttps://www.monolithicpower.com/jpで入手できます。

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