BLDCモータを転流するためのより良い方法

ブラシレスDCモータ（BLDCモータ）は、外部モータコントローラを介してDC電源から給電される電子転流モータです。ブラシ付きモータとは異なり、BLDCモータは転流（モータの各相に電流を流して動きを生み出す）を外部コントローラによって行っています。ブラシ付きモータは、このプロセスを1回転につき2回行うために物理的なブラシを備えていますが、BLDCモータにはそれがなく、その設計の性質上、転流のための極対はいくつでも構いません。この記事では、BLDCモータの基礎を復習し、BLDCモータの一般的な転流方法について考察し、位置フィードバックを収集するための新しいソリューションを紹介します。

BLDCモータの転流の基礎

BLDCモータの構成は、3相が最も一般的です。位相の数は 固定子の巻線の数に一致し、一方、回転子の極は用途に応じて任意の数の対であり得ます。BLDCモータの回転子は回転する固定子の極の影響を受けるので、3つのモータ位相を効果的に駆動するためには固定子の極位置を追跡しなければなりません。そこで、モータコントローラを用いて、3つのモータの位相に6ステップの転流パターンを発生させます。この6ステップ、または転流位相が電磁界に変化を与え、ローターの永久磁石がモータ軸を動かします（図1）。

図1：BLDCモータの転流用の6ステップパターン（画像提供： Same Sky）

コントローラが効果的にモータを転流するためには、ローターの位置情報を常に正確に把握している必要があります。ホール効果センサは、ブラシレスモータの誕生以来、転流フィードバックのための一般的な選択肢となっています。一般的なシナリオでは、3相制御のために3つのセンサが必要です。モータのステータにホール効果センサを組み込み、ローターの位置を検出し、その位置で3相ブリッジのトランジスタを切り替えてモータを駆動します。3つのセンサ出力は、一般的にU、V、Wチャンネルと表記されます。残念ながら、この方式の位置フィードバックには欠点があります。ホール効果センサのBOMコストは低いのですが、これらのセンサをBLDCに組み込むためのコストは、モータの総コストを倍増させる可能性があります。さらに、コントローラはホール効果センサからモータの位置を部分的にしか把握できないため、正確な位置フィードバックが必要なシステムにおいて、正しく動作しないという問題が発生する可能性もあります。

より高い精度を実現するエンコーダ

現在、BLDCモータを使用するシステムには、これまでよりもはるかに高い位置測定精度が求められています。そのために、ホール効果センサに加えて、インクリメンタルエンコーダをBLDCモータと組み合わせることができます。これにより、位置フィードバックは改善されましたが、モータメーカーがモータに両方のホールセンサを追加し、さらに組み立て後にインクリメンタルエンコーダを追加する必要があるシステムになっています。より良い方法は、ホール効果センサを完全に排除し、インクリメンタルエンコーダを転流エンコーダに置き換えることです。Same SkyのAMT31シリーズやAMT33シリーズなどの転流エンコーダは、正確な位置追跡のためのインクリメンタル出力と、モータ固有の極配置に対応した転流出力を備えています。Same Skyの転流エンコーダは、デジタルであるため、極数、分解能、方向など、これらのパラメータをプログラムすることが可能です。これにより、エンジニアはプロトタイプやテスト時に柔軟な対応が可能となり、複数の設計にまたがるエンコーダのSKU数を削減することができます。

転流モータの位置決め

モータに電流を流すと回転し、逆にモータを回転させると電流が発生します。BLDCモータを回転させると、下の図2のような3相の出力が現れます。転流エンコーダ、あるいはホール効果センサをBLDCモータに正しく取り付けるには、転流波形を逆EMFに一致させる必要があります。従来では、1台目のモータを駆動するための2台目のモータと、波形を観測するためのオシロスコープが必要となり、このプロセスを繰り返し行うことになります。これでは時間がかかり、製造工程で大きなコストがかかる可能性があります。

図2：転流出力とモータの位相（画像出典：Same Sky）

AMTの静電容量式エンコーダを使えば、アライメント作業はほぼ瞬時に完了し、必要なのは電源だけです。エンコーダを取り付けたら、ユーザーはAMTエンコーダの希望する開始位置に対応する2相に電源を供給し、アライメントコマンドを送信するだけです。これにより、ユーザーはエンコーダの転流波形とモータの逆EMF波形の開始位置を実質的に設定したことになります。

アライメントの容易さに加え、AMTエンコーダの転流信号は、モータ極に対してより正確にアライメントすることができます。転流エンコーダをモータに位置合わせするだけで開始位置（転流波形の開始位置）が設定されます。正しく行われれば、転流波形はモータの逆EMF波形と完全に一致するはずです。しかし、これは常に実現できるわけではありません。ホールセンサや光学式エンコーダを使った一般的なアライメントは、電気角で±1度のオーダーです。一方、AMTエンコーダは、通常は±0.1電気角度以内という非常に高い精度を達成することができます。AMTエンコーダの波形は、UとWが共にHighの時（上の波形の3番目の状態）から始まります。アライメント中にどの相に通電すべきかは、モータメーカーに問い合わせて適切な逆EMFダイアグラムを入手してください。

AMT転流エンコーダの方向設定

AMTシリーズを使えば、プログラマブルな極数および分解能の機能とともに、転流アプリケーションの方向を設定することができます。これは、他の転流エンコーダメーカーではほとんど提供されていないユニークなオプションです。簡単に言えば、転流信号を進めるためにエンコーダの軸をどちらに回転させればよいかを示すものです。一般的に、転流用エンコーダはモータの後ろの軸に取り付けます。このシナリオでは、モータが反時計回りに回転しているとき（モータの背面から見て）、転流信号はそれぞれの状態を進みます。しかし、エンコーダを 前 の軸に取り付けると、実質的にエンコーダを上下逆にしたことになり モータ を反時計回り（背面から見て）に回転させたとき エンコーダの 軸は実際には時計回り（エンコーダを上から見た場合）に回転していることになります。これは、下の図3のように、モータの極がエンコーダの極と反対方向に回転していることを意味します。このプログラマブルなオプションを含まない他の技術では、同じタスクを達成するためにエンコーダディスクまたはU、V、Wチャンネルを物理的に交換する必要があります。方向性の異なる複数のBLDCモータを使用するアプリケーションでは、このプログラマブル機能は特に有効です。

図3：逆EMFの逆方向を進む転流波形（画像出典：Same Sky）

まとめ

BLDCモータの使用は増え続けており、タイトな制御ループと高精度な位置検出フィードバックがあれば、多くのアプリケーションで優れた性能を発揮することができます。ホール効果センサは、その低い部品コストにより、長年にわたって最適なソリューションとされてきましたが、インクリメンタルエンコーダと組み合わせない限り、モータの位置の全体像を把握するには不十分な場合が多くあります。しかし、Same SkyのAMT転流エンコーダは、ホール効果センサとインクリメンタルエンコーダを完全に排除するオールインワンソリューションを提供します。Same SkyのAMT31またはAMT33転流エンコーダは、その柔軟なプログラマビリティと簡単な取り付けにより、市場で最も汎用性の高いオプションです。この記事で説明されている転流エンコーダの原理を基本的に理解することで、今後のBLDCモータプロジェクトにおいて、転流エンコーダを有力な選択肢の1つにすることができます。