ブラシレスモーター駆動回路のタイミングチャート

2022.12.07

ブラシレスモーターを駆動するには、タイミングチャートと呼ばれる波形図の意味を理解することが重要です。タイミングチャートは、モーターの駆動制御のための仕様説明図です。今回はタイミングチャートの各波形が何を表しているかを説明します。

第3話目次

ブラシレスモーター駆動回路のタイミングチャート

モーターは巻線にかかる電圧、流れる電流が変化しながら回っていきます。このモーターを回していく際の電気信号の変化を示す図を、タイミングチャートと呼んでいます。タイミングチャートという語はロジック回路の動作を示す場合などにも使われますので、ここではモーター駆動のタイミングチャートという意味であることを前提としてください。

タイミングチャートは、ロータ位置（電気角）を横軸にとって各回路の主要な信号を描いたものになります。タイミングチャートにおいて信号がデジタル的な情報である場合は、HiかLoの２値で表されるのが一般的です。後出のタイミングチャートで、ホール信号やUHなどの実際の電圧値はそれぞれ異なり、本来であればそれが波形の高さに反映されるべきですが、表現したいのがHiかLoなので、あまり意識されずに描かれることが多いです。

ここでは、例として前述のブラシ付きモーターとほぼ同じ動作のブラシレスモーター駆動回路のタイミングチャートを示します。この動作をさせる場合、ホール素子は下図の位置に設置するのが都合が良いです。なぜこの位置が良いかは後述しますので、ここではここに設置するとだけ認識しておいてください。それでは、下図を使って説明していきます。

ブラシレスモーター駆動回路のタイミングチャート（1）：巻線端子の電圧

まず、上図のロータ位置をタイミングチャートの左端、角度０度とします（チャート最下部の目盛り参照）。ここからモーターが左方向（反時計方向）に回った際、それぞれの回路信号はタイミングチャートに示す動きをします。以下に簡単に信号の説明をします。

■コントロールICへの入力：ホールU、V、W

  • ・ホール素子は対面する磁極に応じてHi/Loの信号を出力します。IC内では３つのホール素子のHi/Loの論理（ロジック）からロータ位置を６つに区分できます（チャート上部の番号参照）。
    例：｛U、V、W｝＝区分１｛Lo、Hi、Lo｝、区分２｛Lo、Hi、Hi｝～区分6｛Hi、Hi、Lo｝

■コントロールICからの出力：UH～WL

  • ・コントロールICは上記の区分情報を元にトランジスタON/OFF指令の信号UH～WLを生成します。
  • ・図示していませんが、UH～WLの信号はレベルシフト部へ渡り、レベルシフト部でトランジスタが受け取れる（トランジスタを駆動できる）信号に変換されます。

■トランジスタ部：U、V、W巻線電圧

  • ・UH～WLの信号を指令としてパワートランジスタがON/OFFします（指令がHiならON、LoならOFF）。この動作により巻線端子の電圧が決まります。
  • ・上側と下側のトランジスタが共にOFFの場合は、巻線端子電圧は開放状態となります（ここで本来見える波形は後述する）。

先の述べた「ブラシ付きモーターとほぼ同じ動作」というのは、この巻線電圧のパターンが同じということです。

ブラシレスモーター駆動回路のタイミングチャート（2）：電圧パターンによって作られる電磁石磁界

前出の図では、巻線端子の電圧までを示しました。次にその電圧の印加によりどのような位置に電磁石が作られ、ロータが回っていくかを、下図を使って説明します。

最初の図は電流の向きとN極/S極の関係を示した模式図です。これを理解したうえで、続くタイミングチャートと区分1～6におけるロータの位置を示した図の説明を読み進んでください。

まず図中の区分1の部分では、U相の巻線に電源電圧が印加され、V相の巻線がグラウンド（以下GND）に繋がっています。よって、電流はU相からV相に流れると表現されます。

そして、U相巻線がＮ極ならＶ相巻線はＳ極になります（そうなるように巻線してあるとします）。ロータが区分1の位置にある時に、巻線の磁極が上記のようになればロータが反時計方向に回ります。

ロータが回り、ホール信号Ｗの極性が切り替わると、区分2に移行します。ここではＵ相からＷ相に電流が流れるようになり、巻線の磁界は上図のように切り替わります。ここでもロータが反時計方向に回ります。

この、「磁石磁界を作る」→「ロータが回る」→「ホール信号が切り替わる」→「次のパターンの磁界を作る」→「ロータが回る」→「ホール信号が切り替わる」の繰り返しによってロータは回り続けます。これがこのタイミングチャートが示している動作です。

さて、ここまで説明を読んできて、説明の観点が逆ではないかと思われた人もいるのではないでしょうか？　確かに回路の動作説明なら上記の通りですが、モーターを回すという観点では「ロータが回るような位置に磁界を作りたい」→「トランジスタのON/OFFをそのように制御する」→「必要な位置にホール素子を置く」という考えになります。次回はこの考え方、すなわちタイミングチャートの作り方について説明します。

この記事のポイント

・タイミングチャートは、モーターの駆動制御のための仕様説明図なので、波形図の意味を理解することが重要。

・ここでは、タイミングチャートにより、モーターを回すための印加電圧パターンを示し、それによって作られる電磁石磁界についても示した。

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