ブラシレスDCモータードライブ

定義

ブラシレスDCモータードライブとは、正弦波形の永久磁石交流（PMAC）モーターを使用する自己制御型可変周波数ドライブを指します。このタイプのドライブはいくつかの顕著な利点を持っています。ほとんどメンテナンスフリーであり、長寿命であるため、様々な用途に適しています。また、回転慣性が低く、摩擦が少なく、低周波特性で動作します。さらに、ラジオ周波数干渉やノイズを最小限に抑え、滑らかで静かな動作を実現します。ただし、欠点もあります。主な制限は比較的高価であることと、起動トルクが低いことです。

応用

ブラシレスDCモータードライブは、幅広い産業およびデバイスで広く使用されています。民生電子機器では、レコードプレーヤー、レコーダーのテープドライブ、コンピューターハードディスクのスピンドルドライブなどに使用されます。また、コンピュータ周辺機器や制御システムの低電力ドライブとしても機能します。民生電子機器以外でも、信頼性と低ノイズ動作が重要な航空宇宙産業で使用されます。生体医療分野では、その精度と清潔な動作により、様々な医療機器に適しています。さらに、冷却ファンの駆動にも一般的に使用され、多くのシステムで効率的かつ静かな換気を提供します。

モータ構造

以下の図は、ブラシレスDCモータードライブの主要構成要素である3相2極台形PMACモーターの断面図を示しています。このモーターは、広い極弧を持つ永久磁石ロータを特徴としており、これが効率的な動作に貢献しています。スターターには、それぞれ120度ずつ位相差のある3極巻線が装備されています。この特定の巻線構成により、電気的なバランスと滑らかなトルク生成が確保されます。各相巻線は片側60度に渡って配置されており、モーター内の磁界相互作用を最適化し、速度と性能の正確な制御を可能にします。

モーターの3相に誘導される電圧は、以下の図に示されています。台形波形の生成は、ロータとスターターの特定の相互作用によるものです。ロータが反時計回りに回転し、基準位置からの最初の120度間は、フェーズAの上部導体すべてが磁場の南極と相互作用し、フェーズAの下部導体すべてが北極と相互作用します。

この角度範囲内の一貫した磁気結合により、比較的安定した誘導電圧が生成され、台形波形の平坦な部分に寄与します。ロータがさらに回転すると、磁場の向きの変化により誘導電圧が遷移し、最終的にブラシレスDCモータードライブの適切な動作と制御に必要な特徴的な台形形状が形成されます。

ロータが120度回転する間に、フェーズAに誘導される電圧は比較的一定です。回転が120度を超えると、フェーズAの上部導体の一部が北極と連結し始め、他の部分は南極との相互作用を続けます。下部導体でも同様の現象が起こります。結果として、次の60度間でフェーズAの誘導電圧は線形に逆転します。この電圧変化パターンはフェーズBとCでも鏡像的に発生し、モーターの動作に必要な協調的な電気挙動を生成します。

以下の図に示すように、ブラシレスDCモータードライブシステムは、台形PMACモーターと組み合わされた電圧源インバータから構成されています。モーターのスターター巻線は星接続で構成されています。図には、台形PMACモーターの特徴的な相電圧波形も示されており、上記の独自の電圧誘導ダイナミクスを反映しています。この波形は、滑らかなトルク生成と正確な速度制御を可能にする重要な特徴であり、ブラシレスDCモータードライブの効率的な制御と動作を促進します。

ブラシレスDCモーターのスターター巻線には、電流パルスが供給されます。各パルスは120電気度の期間を持ち、誘導電圧が一定で最大値に達する領域内に正確に位置付けられます。これらの電流パルスの極性は、誘導電圧の極性と一致しており、電気入力とモーターによって生成される磁場との調和的な相互作用を確保します。

モーター内のエアギャップ磁束は一定のレベルに保たれ、誘導電圧の大きさはロータの回転速度に比例します。この関係は、モーターの動作において基本的であり、速度依存の誘導電圧に基づいてモーターの性能を正確に制御し、さまざまな動作条件下での効率的な電力伝送と滑らかな動作を可能にします。

各60度間隔の動作中に、モーターのスターター巻線の1相に電流が流れ込み、別の相から流出します。この交互の電流流れパターンは、ブラシレスDCモーターの動作の重要な特徴です。結果として、これらの各60度間隔におけるモーターへの供給電力は、巻線相内の電圧と電流の相互作用を考慮に入れた以下の式で表現できます。

モーターによって生成されるトルク

ブラシレスDCモータードライブのトルク波形は以下の図に示されています。モーターが生成するトルクの大きさは、直流電源リンクを流れる電流に直接比例します。この関係は、モーターの動的挙動と性能特性を理解する上で基本的です。

このドライブシステムでの再生ブレーキは、位相反転によって達成されます。位相電流が反転すると、電流源Idの方向もそれに応じて変化します。この反転により、モーターから始まり、インバータを経由して最終的に直流電源に戻る電力フローが始まります。この過程で、モーターはジェネレータとして機能し、負荷からの機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、それを電源にフィードバックします。これにより、モーターの減速だけでなく、エネルギーの回収と再利用も可能になり、システム全体の効率が向上します。

ドライブシステムの回転速度が反転すると、モーター内の誘導電圧の極性も反転します。この電圧極性の変化により、再生ブレーキ操作がトリガーされ、ドライブは移動負荷の機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、それを電源にフィードバックすることができます。

一方、モーターの巻線を流れる電流の方向を反転させることで、モータリング操作が開始され、モーターが所望の方向に駆動されます。これらの異なる動作モード（再生ブレーキとモータリング）に対応する電流波形は以下の図に明確に示されており、異なる条件でのドライブシステムの電気挙動を視覚的に表しています。

ブラシレスDCモータードライブの種類

ブラシレスDCモータードライブは主に、低コストブラシレスDCモータードライブと単相ブラシレスDCモータードライブの2つの異なるタイプに分類できます。各タイプには独自の特徴と動作原理があり、以下に詳細を示します。

低コストブラシレスDCモータードライブ

低コストブラシレスDCモータードライブは、シンプルで手頃な価格を念頭に設計されています。最小限の構成で、トランジスタ3個とダイオードコンバータ3個で構成されています。この設定により、ドライブは3相モーターに正の電流または電圧のみを供給することができます。

動作中、誘導電圧と電流は、モーターのモータリングとブレーキングの両方の機能に重要な役割を果たします。120度の正電流パルスがモーターに供給されると、モータリング動作が開始され、モーターは反時計回りに回転します。一方、これらの電流パルスが60度ずれて合計180度になると、モーターはブレーキング状態に移行します。この電流パルスのタイミングの変更により、電気入力とモーターの磁場との相互作用が変化し、回転動作からブレーキ機構への切り替えが可能になります。

低コストブラシレスDCモータードライブ：電流制御メカニズム

低コストブラシレスDCモータードライブでは、フェーズAの電流はスリッストライスト1とダイオードD1によって正確に制御されます。Tr1がオン（アクティブ化）されると、ソース電圧Vdが巻線Aに接続されます。この接続により、電流IAの変化率が正となり、フェーズAの電流が増加し始めます。一方、Tr1がオフ（非活性化）されると、電流iAはダイオードD1を通じてフリーホイール状態に入ります。このフリーホイールプロセス中、iAの変化率は負になり、電流は徐々に減少します。

0-120ºの時間帯内では、Tr1をオンとオフを交互に切り替えることができます。このオンオフ切り替え戦略は、実際の電流IAが矩形の参照電流iAに近づくように使用され、それらの差が予定されたヒステリシスバンド内に保たれます。この正確な制御により、安定したモーター動作と効率的な電力伝送が維持されます。

単相ブラシレスDCモータードライブ

単相ブラシレスDCモータードライブの構成は以下の図に示されています。分析のために、モーターが半橋単相コンバータによって供給され、モーターに矩形の電流波形が供給されていると仮定します。この特定の電流波形は、モーターの性能特性と動作挙動を決定する上で重要な役割を果たします。

モーターが生成するトルクは、トルクリップルと呼ばれる大きな変動を示します。しかし、モーターが高速で動作すると、モーター負荷系の慣性が自然なフィルターとして機能します。この固有の慣性により、トルクの変動が平滑化され、トルクリップルが存在するにもかかわらず、モーターは比較的均一な回転速度を維持することができます。