DC モーター制御:PWM、ドライバー、エンコーダーの説明
PWMによるDCモータ制御の完全ガイド：適切なHブリッジドライバの選択、MOSFETのサイジング、エンコーダによるループの閉鎖
はじめに
DCモーターの制御はシンプルに見えます。電圧を変えたり、速度を変えたりします。しかし、実際のシステムでは、突入電流、逆起電力、熱制限、および位置精度に対応する必要があります。このガイドでは、制御スタックの各層について説明します。
---
DC モーターモデル
ブラシ付き DC モーターは、抵抗 (電機子抵抗) とインダクタ (電機子インダクタンス) を直列に接続した電圧源 (逆起電力) としてモデル化できます。
「MATHBLOCK_0」
ここで、「MATHINLINE_7」(速度に比例する逆起電力) とトルクは「MATHINLINE_8」です。
定常状態では: 「マスブロック_1」
[DC モーター速度計算ツール] (/電卓/モーター/DC モーター速度) を使って、この関係をインタラクティブに調べてください。
---
PWM の基礎
PWM (パルス幅変調) は、電源のオン/オフをすばやく切り替えることによってモーター電圧を制御します。
「MATHBLOCK_2」
ここで、「MATHINLINE_9」はデューティサイクル (0 ～ 100%) です。12 V 電源で 75% のデューティサイクルでは、「MATHINLINE_10」= 9V になります。
PWM 周波数の選択にはトレードオフが伴います。
| 周波数 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| 1—5 kHz | 低スイッチング損失 | 可聴ノイズ |
| 20—50 kHz | 静かで効率的 | より高いスイッチング損失 |
| > 100 kHz | 非常に高速な応答 | EMI の問題、高いスイッチング損失 |
[PWM デューティサイクル計算ツール] (/電卓/モーター/PWM-デューティサイクルモーター) を使用して実効電圧を計算し、ストール電流を推定します。
---
H ブリッジドライバ
モーターを双方向に駆動するには、Hブリッジが必要です。これは、どちらの方向にも電圧を印加できるように4つのスイッチを配置したものです。
ディスクリート対集積型
統合型ドライバ (DRV8833、TB6612、L298N) が最も簡単です。デッドタイム、サーマルシャットダウン、過電流保護を内部で処理します。 ディスクリートMOSFETは効率が高く、大電流を駆動できますが、ゲートドライバ、ブートストラップ回路、および慎重なレイアウトが必要です。MOSFETのセレクション
H ブリッジ MOSFET の重要な仕様は以下のとおりです。
1.V_DS — マージンがある程度電源電圧を超えている必要があります:「MATHINLINE_11」 2.I_D — ピーク (突入) 電流:「MATHINLINE_12」を超えている必要があります 3.R_ {DS (on)} — 値が低いほど良い (導通損失が少ない) 4.Q_G — ゲート電荷、スイッチング速度と損失を決定します
MOSFET1個あたりの導通損失:「MATHINLINE_13」
[Hブリッジ選択計算機] (/電卓/モーター/Hブリッジ選択) を使用してピーク電流と最小MOSFET定格を計算し、[モータードライバー電力計算器] (/計算機/モーター/モーター-ドライバーパワー) を使用して総損失を推定します。
---
突入電流と始動電流
起動時、モーターは静止 (ω = 0) なので、逆起電力 = 0 です。初期電流は以下のとおりです。
「マスブロック_3」
「MATHINLINE_14」= 0.5Ω (12V) のモーターの場合、定格電流がわずか2Aであっても、突入電流は24Aです。これは12倍の突入電流乗算器です。
緩和戦略: -PWM デューティサイクルの増加 (ソフトスタート) -電流制限コントローラの使用 (DRV8434には電流チョッピング機能が内蔵されています) -定格電流ではなく、突入電流に合わせてHブリッジのサイズを決める---
クローズドループ制御用エンコーダ
ファンとポンプには、オープンループ PWM 速度制御で十分です。位置制御や正確な速度調整を行うには、エンコーダからのフィードバックが必要です。
エンコーダの種類
-オプティカル・インクリメンタル (AB 直交): シャフトの回転に合わせてパルスをカウントします。最も一般的なのは、100 ～ 10,000 PPR です。 -磁気 (ホール効果) : 汚染に強い。産業用モーターに使用されます。 -絶対値: 絶対位置を出力します。ホーミングは不要です。
直交デコード
A と B の 2 つのチャネル、位相が 90 度ずれています。両方のチャンネルの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジをすべて検出すると、4 倍の分解能が得られます。
「MATHBLOCK_4」
1000 PPR のエンコーダでは、1 回転あたり 4000 カウント = 0.09° の分解能が得られます。
[エンコーダ分解能計算ツール] (/電卓/モータ/エンコーダ解像度) を使用して、カウンタのCPR、角度分解能、および最大パルス周波数を計算します。
---
PID スピードコントロール
エンコーダーのフィードバックが得られたら、PID コントローラーでループを閉じることができます。
「MATHBLOCK_5」
ここで「MATHINLINE_15」。
チーグラー・ニコルズ・チューニング
オープンループのステップ応答を使った実践的な出発点:
1.ステップ入力を適用し、プロセスゲイン「MATHINLINE_16」、デッドタイム「MATHINLINE_17」、および時定数「MATHINLINE_18」を測定します。 2.チーグラー・ニコルズの公式を適用: -「マチンライン_19」 -「マチンライン_20」 -「マチンライン_21」
[PID チューニング計算機] (/電卓/モーター/PIDチューニング) を使用して、測定したステップ応答から得られるゲインを計算します。
---
熱管理
モーターは巻線 (「MATHINLINE_22」) とドライバー (「MATHINLINE_23」) に熱を発生させます。過負荷が続くと、熱によるディレーティングが発生し、最終的には故障します。
動作温度の計算: 「マスブロック_6」銅の巻線抵抗は温度とともに上昇するため (TCR ≤ 0.39% /°C)、高温抵抗は増加し、トルクは減少します。モーターの熱ディレーティング曲線を確認してください。
---
まとめ
1.モーターのモデル化:「MATHINLINE_24」を使用して速度と電流を予測します 2.ドライバを選択: 定格電流だけでなく、突入電流 (定格5～10倍) のサイズ 3.PWM周波数を選択してください: 20～25 kHzでサイレンス+効率を実現 4.フィードバックを追加: 直交エンコーダーは 4 倍の解像度を実現 5.PIDの調整: チーグラー・ニコルズから始めて、経験的に改良してください 6.温度チェック: 最大負荷時のモーターとドライバーの温度