ブラシレスDCモータードライバの原理

モータードライバは、マイコンなどのコンピュータの制御部から指示を受け、モーターを駆動、制御するための半導体デバイスです。

モーターを回転、駆動させるタイミング、速度を制御するためにはマイコンは必要なデバイスですが、マイコンが有する入出力ポートからは、モーターを直接回転、駆動できるようなドライブ能力がないことがほとんどです。

一体型サーボモーター

この場合、マイコンとモーターの間で制御するための信号をモータードライバが代わりに行うことでモーターを駆動することが可能になります。

モーターの中では電磁石は固定されているため、コイルに流す電流の向きを変えることで、電磁石の極性がきまり、「引き合う・反発する」を決めることができます。

ユニポーラステッピングモータ

モータードライバより信号を受け取ったモーターは、各電磁石の極性を変えて、モーターを動かします。

モータードライバを使うメリットとして、豊富なオンチップ保護機能やマイコン制御ソフトウェアの作成工数の短縮、部品点数を削減し基板実装面積の最小化し、簡単にモーター駆動を実現することが可能になります。

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リバーシブルモーターの原理

リバーシブルモーターは瞬時可逆特性の向上、オーバーランを小さくすること、定格トルクの10%程度の保持力があるということも利点です。

防水クローズドループステッピングモーター 

欠点は時間定格が30分と運転時間の制限が決められており短い点です。リバーシブルモーターは瞬時可逆特性を向上させるために起動トルクを大きくしているので温度上昇が比較的大きく、時間定格が30分となっています。

ステッピングモーター遊星ギアボックス

運転のサイクルによって温度上昇の幅が異なり定格30分より長く使用できる場合もあります。使用する時の運転サイクルで温度上昇が60℃を超えない範囲で使用します。ある程度の保持力があるのはブレーキシューが一体構造となっており、耐摩擦性に優れた素材を使用しているためです。しかし、ブレーキ力には限界があるため一般的には定格トルクの10%の保持力としています。

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PMモーターの種類

PMモーターは、SPMモーターとIPMモーターに大分されます。

1. SPMモーター

SPMモーターは、永久磁石をローターの表面に設置した製品です。SPMは「Surface Permanent Magnet」の略で、表面磁石型同期モーターとも呼ばれます。

防水ステッピングモーター

特徴として、有効磁束量が大きくトルクリプルが小さいことが挙げられます。そのため、高性能サーボ用途には活用できますが、磁石の脱落懸念などにより高速な回転には不適です。この課題に対応するために、超磁力分布を改善することで、コギングトルクを低減させます。

ステッピングモーター高精度遊星ギアボックス

2. IPMモーター

IPMモーターは、永久磁石をローター内部に埋め込んだ製品です。IPMは「Interior Permanent Magnet」の略で、埋込磁石型同期モーターとも呼ばれます。

特徴として、高速回転に適応で切ることが挙げられます。磁石の形や配置の自由度が大きいため、設計段階で最高回転数を柔軟にコントロールすることが可能です。最近では、HVやEVのモータに使用されており、冷蔵庫やエアコンにも応用されています。

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ブラシレスモーターとは

ブラシレスモーターは、整流子やブラシなどの機械的な接触部を取り除いたモーターです。整流子の代わりを電子回路が行うことで、整流子とブラシを無くしています。直流モーターは、ステータの巻き線回路の磁力によって、永久磁石のロータを駆動します。電流の切り替えを、センサと半導体スイッチによって行い、回転させます。

電流とトルク、及び電圧と回転速度が比例するという点でDCモーターの性格を持ち、構造はACモーターという双方の優れた点を取り入れています。小型で高出力・高効率・長寿命の特性を持ち、火花やノイズの発生もなく、コンピュータから家電まで幅広い用途で活用されています。

ステッピングモーター平行軸ギアボックス

ブラシレスモーターの使用用途

ブラシレスモーターはDCモーターの特性を持ち、高効率で長寿命・低騒音の特徴があります。家電製品・電子機器・自動車等、幅広く使われています。家電製品では、エアコン・食洗器・洗濯機・冷蔵庫・扇風機・掃除機などのファンモーターや駆動モーターに使われます。インバーター制御のエアコンや冷蔵庫のコンプレッサには最適です。

一体型イージーサーボモータ

業務用電子機器では、レーザープリンターの紙送り・ドローンのプロペラ駆動やジンバル制御・ハードディスクや光ディスクの、および工具のドリル・ドライバー・のこぎりの駆動など広範囲に使用されます。また、自動販売機・金融端末・券売機、および複写機・給湯器・冷凍冷蔵ショーケースなどにも使われます。

また、自動車分野での採用が急速に増えています。電動パワーステアリング・ドアロック・ヘッドライト光軸調整・ドア開閉などの駆動モーター・電気自動車のエアコンコンプレッサー・電気自動車用トラクションモーターなどへ用途が拡大しています。

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ステッピングモーターのドライバー

ステッピングモーターを動かすためにはドライバーと呼ばれる制御装置が必要です。ドライバーはステッピングモーターに流す電流電圧を制御して、回転速度、回転量などをコントロールすることができます。

ドライバーには定電流駆動方式と低電圧駆動方式がありますが、高速でのトルク特性が優れている定電流方式が採用される場合が多いです。一般的には、ドライバーに上位制御機器より回転速度、回転量の指示値としてパルス列を入力し、入力されたパルス列に従ってモーターを指示速度で指示量回転させます。

PM型リニアステッピングモータ

ドライバーにはマイクロステップと呼ばれる機能を搭載しているものがあります。ステッピングモーターは基本ステップ角を最小回転角度として回転しますが、マイクロステップ機能を持つドライバーは、各コイルに流す電流を調整し、基本ステップ角を電気的に細分化し、回転の分解能を上げることができます。

ブラシレスDCモータ

また、振動、騒音を低減させる効果や、ステップ角ごとのオーバーシュートの低減、起動停止時の衝撃緩和の効果もあります。マイクロステップ機能の分解能は、多いものだと1/250程度まであり、使用用途によって、ディップスイッチなどで選択することができます。

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