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コラム

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ブラシ付きモータPWM駆動の電流回生の方法と違い

今回は、ブラシ付きモータをPWM駆動する際の電流回生の方法と、その違いについてです。

ブラシ付きモータのPWM駆動における電流回生の方法

ブラシ付きモータのPWM駆動において、オフデューティ区間の電流回生方法は主に2つに分かれます。1つはブラシ付きモータの2端子を等価的にショートする方法です。もう1つはブラシ付きモータの2端子に、等価的に電源の極性をオンデューティ区間と逆に接続する方法です。以下、それぞれを具体的に説明して行きます。

モータの2端子を等価的にショートする回生方法

PWM駆動の電流供給時(オンデューティ区間)と、モータの2端子を等価的にショートする電流回生方法の等価回路を図1に示します。なお、OFFのトランジスタは省略しています。

電流供給時と、モータの2端子をショートする電流回生方法の等価回路

(a)電流供給時はQ1とQ4をオンして電源にモータを接続しています。モータの2端子を等価的にショートする方法は2通りあります。(b)電流回生1の回路では、(a)の状態からQ1をオフにして電源との接続を断ち、Q2をオン、Q4はオンのままで、モータの端子間をショートした状態にします。(c)電流回生2では同じくQ1をオフにしますが、Q2はオフのまま、Q4もオンのままで、Q2の寄生ダイオードを通じてモータ電流が一巡します。

この、モータの2端子をショートする電流回生方法を使った場合のPWM動作波形を図2に示します。(b)と(c)は等価回路としては基本的に同じなので、波形も同様になります。イメージしやすいように、電流波形のピーク間の変化は実際より大きめに描画してあります。

モータの2端子を等価的にショートさせた電流回生方法のPWM動作波形

時間tが∞、つまり定常状態のモータの平均電流値Iaveは、モータ発電電圧(Ec)をゼロとした場合以下になります。

 Iave=Ea・m/R  ※Ea:モータ電源電圧、m:オンデューティ比、R:モータ等価抵抗

したがって、モータには、モータ電源電圧Eaにオンデューティ比mをかけた電圧が印加されることになります。

モータの2端子に等価的に電源の極性をオンデューティ区間と逆に接続する回生方法

続いてもう1つの回生方法である、モータの2端子に等価的に電源の極性をオンデューティ区間と逆に接続する電流回生方法の等価回路を図3に示します。この方法についても2通りあります。

モータの2端子に等価的に電源極性をオンデューティ区間と逆接続する電流回生方法の等価回路

(d)電流回生3は、Q1とQ4をオフし、Q2とQ3をオンにして、オンデューティ区間とモータにかかる電源の極性を逆にしています。この回路ではデューティ比によっては逆電流が流れます。(e)電流回生4は、すべてのトランジスタをオフしていますが、Q2、Q4の寄生ダイオードを通じて電流が回生し、等価的にオンデューティ区間とモータにかかる電源の極性が逆になります。ダイオードで接続するため、この回路は逆電流が流れません。

(d)のようにモータの2端子を等価的に電源の極性をオンデューティ区間と逆に接続する電流回生を行い、逆方向に電流が流れる回路のPWM動作波形を図4に示します。

図3(d)の電源逆接続電流回生で逆方向電流が流れる回路のPWM動作波形

(d)の回路では、回生電流がゼロ以下になると逆方向に電流が流れるため、オンデューティが50%でモータの平均電流がゼロになります。オンデューティが100%から50%ではある方向に平均電流が流れ、50%から0%では50%より大きい場合と逆の方向に平均電流が流れます。モータに印加される等価的な電圧は以下になります。

 モータ印加等価電圧=Ea・(m-50%)/50%  ※Ea:モータ電源電圧、m:オンデューティ比

次に(e)の回路のように電源逆接続の電流回生を行いますが、逆方向に電流が流れない回路のPWM動作波形を図5に示します。

図3(e)の電源逆接続電流回生で逆方向電流が流れない回路のPWM動作波形

(e)の回路では、電流がオンデューティ区間の逆には流れないため、オンデューティ比が50%でも平均電流がゼロにならず、オンデューティを50%より小さくして行くと平均電流は減少し、0%で電流ゼロになります。電流の過渡波形で電流最小ピーク値がゼロより大きい場合のモータに印加される等価電圧は以下になります。

 モータ印加等価電圧=Ea・(m-50%)/50%  ※Ea:モータ電源電圧、m:オンデューティ比

いずれの回路でも実際に印加される等価電圧は、出力トランジスタ(MOSFET)のハイサイドとローサイドのオン抵抗の差や、寄生ダイオードが持つ順方向電圧があるため、示した計算式による値と多少のずれが生じます。

まとめ

図1-(b)と(c)のモータの2端子を等価的にショートさせる回生方法は回生電流の減衰は緩やかですが、図3-(d)と(e)のモータの2端子に等価的に電源極性をオンデューティ区間と逆接続する電流回生方法では、電流を逆に流そうとする向きの電圧がコイルに加わるため回生電流の減衰が急になります。

PWM動作でのモータへの印加電圧は、モータの2端子を等価的にショートする回生方法では、おおよそ「電源電圧×オンデューティ比」の電圧が印加されます。モータの2端子に等価的に電源の極性をオンデューティ区間と逆に接続回生方法では、約「電源電圧×(オンデューティ比-50%)/50%」の電圧が印加されます。

モータの2端子に等価的に電源極性をオンデューティ区間と逆接続する回生方法で、(d)の出力トランジスタをオンして逆接続する回路では逆方向に電流が流れるので、オンデューティが50%より低い場合に逆方向に電流が流れます。(e)の出力トランジスタをすべてオフにして寄生ダイオードで逆接続する回路では逆方向に電流が流れないので、オンデューティが50%より小さくてもオンデューティ比による正方向の電流が流れます。

回生方法 図1-(b)と(c)
モータの2端子を等価的にショート
図3-(d)と(e)
モータの2端子に等価的に電源逆接続
回生電流の減衰 穏やか
PWM動作時のモータ印加等価電圧 Ea・m Ea・(m-50%)/50%
PWM動作での平均電流
※モータ発電電圧:Ecはゼロとする
Ea・m/R Ea・(m-50%)/(50%・R)
※(d)は逆方向に電流を流せるので、m=50%ではゼロ、m<50%では負の電流が流れる。
※(e)は逆方向に電流が流れないので、m≤50%でも正の電流のみが流れる

※Ea:モータ電源電圧、m:オンデューティ比、R:モータ等価抵抗