逆EMFを介したセンサレスBLDCモータの制御

ブラシレスDC（BLDC）モータは、名前が示すように、伝統的なモーターに使用される摩耗しやすいブラシを廃止し、ユニットの信頼性を向上させる電子制御装置に置き換えるので、ますます人気が高まっています。 さらに、BLDCモータは同じ電力出力を有するブラシ型より小型軽量化することができ、スペースに余裕がない用途に適しています。

BLDCモータのステータとロータとの間には機械的または電気的接触がないため、モータ制御を容易にするために、構成部品の相対位置を示すために代替の構成が必要とされます。 BLDCモータは、これを達成するためにホールセンサを用いるか、逆EMF測定の、2つの方法のいずれかを使用します。

以前の記事（例えば、TechZone記事の「BLDCシステムにおける閉ループ制御の使用」を参照）では、ホール効果センサベースの制御を検討しています。この記事は代替の逆EMF方式の詳細を記述します。

センサの不使用

BLDCモータは、従来のユニットの機械的整流子を構成する摩耗部品を使用しません（信頼性を向上）。 また、BLDCモータは、高トルク/モータサイズ比、速い動的応答、および事実上静かな動作を提供します。

ステータとロータの磁界が同じ周波数で回転するので、BLDCモータは同期デバイスとして分類されます。 ステータは、内周に沿って巻線の数が偶数に対応するように、軸方向にスロット付きの鋼積層体で構成されます。 ロータは2～8のNS極対からなる永久磁石で構成されます。

BLDCモータの電子整流子は、ステータコイルに順次通電し、その周りにロータを「ドラッグ」することで回転電界を発生させます。 効率的な運用は、コイルが正確に適切なタイミングで励起されることを確実にすることによって達成されます。

センサーはうまく動作しますが、コストを追加し、複雑さが増大（追加の配線による）し、信頼性を低下（汚れや湿気からの汚染を受けやすいセンサコネクタに一部起因）させます。 センサレス制御は、これらの欠点に対処します。

逆EMFの利点を活用

電動機の巻線は、磁力線を切断するにつれて発電機のように作用します。 電位は巻線に発生し、ボルトで測定され、起電力（EMF）と呼ばれます。 レンツの法則によれば、このEMFは、モータの回転を駆動する磁束の変化で元の変化に対向する二次磁界を生じさせます。 単純な用語では、EMFはモータの自然な動きに抵抗し、「逆」EMFと呼ばれます。 固定された磁束と巻き数を与えられたモータについては、EMFの大きさはロータの角速度に比例します。

BLDCモーターの製造業者は、逆EMF定数として知られているパラメータを指定し、指定された速度用の逆EMFを推定するために使用することができます。 巻線にわたるかかる電位は、電源電圧からの逆EMF値を減算することにより算出することができます。 モータは定格速度で動作しているときに、逆EFMと電源電圧との電位差がモータ定格電流を引き出し、定格トルクを送達するように設計されています。

定格速度を超えてモータを駆動すると、実質的に逆EMFを増加させ、巻線の両端の電位差を減少させ、ひいては電流を低減しトルクを低下させます。 より速くモーターをプッシュすることはまた、正確に電源電圧に等しい逆EFMが発生（プラスモータ損失）し、その時の電流とトルクは両方ともゼロを指します。

逆EFMはモータのトルクを損なうので、時には不利と考えられますが、BLDCモータの場合には、技術者はこの現象を自身の利益として転換しています。

3相BLDCモータの転流シーケンスの各段は、1つの巻き線を正に、次の巻線を負に通電し、3番目を開放にすることによって達成されます。 図1は、このようなモータの6段の転流シーケンスの最初の簡略化された概略図を示します。

図1： BLDCモータ用の6段の電気サイクルの初段 コイルAは正に通電され、Bは開放、Cは負に通電されます（Microchip社提供）。

ホールセンサを使用するBLDCモータは、デバイスからの出力を使用し、MCUによって制御され、正しく順番にコイルを励磁するために、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を切り替える、ドライバを介して動作します。 ホールセンサの出力状態が変化する場合、トランジスタがトリガー（そしてコイルに通電）されます。¹

BLDCモータのセンサレス変形例では、ホール効果センサは存在しません。 代わりにモータが回転するにつれて、3つのコイル内の逆EFMは、図2に示す台形波形（長破線）に変化します。 比較のために、同図には、同様に構成されたモータのホールセンサからの出力を示しています。

図2： 3相BLDCモータの逆EFMと比較したホールセンサの出力 ホールセンサ出力の切り替えは、それぞれのコイルの逆EFMがセンサレスモータにおけるゼロ点を横切るのと一致しているかに注意してください（Microchip社の提供）。

コイルの3つ全てのゼロ交差点の組み合わせは、コイル通電シーケンスを決定するのに使用されます。 従来のBLDCモータで出力を変化させる個々のホールセンサと、30度のセンサレスユニットの個々のコイル用の逆EFMゼロ交差点の間に位相差があることに注意してください。 結果的に、センサレスモータ制御回路では、ゼロ交差点が検出された後、通電シーケンス内の次のアクションが起動される前に、30度の位相遅れがファームウェアに組み込まれています。 図2では、短破線はコイル内の電流を示します。

図3はセンサレス3相BLDCモータの制御回路を示します。 この場合、回路はMicrochip PIC18FXX31 8ビットMCUを使用し、3相インバータブリッジのIGBTまたはMOSFETをトリガするために、パルス幅変調（PWM）出力を生成します。 MCUは、逆EFMゼロクロス検出回路からの入力に反応します。

図3： センサレス、3相BLDCモータ制御回路（Microchip社の提供）。

逆EMF検出するための方法

逆EMFを測定するためのいくつかの技術が存在します。 最も単純なものはコンパレータを用いて逆EMFをDCバス電圧の半分と比較することです。 図4aは、このようなシステムの概略図を示します。 この場合、コンパレータはコイルBに接続されます。完全なシステムは各コイルに接続されたコンパレータを有することになります。 図において、コイルAは正に通電され、コイルCは負に通電され、そしてコイルBは開放されています。 逆EMFは、このフェーズの励磁シーケンスが実装されるに従って、上昇し、下降します。

この単純なコンパレータ方式の主な欠点は、3つの巻線が同一の特性を有していない可能性があり、実際のゼロ交差点からの正または負の位相シフトを生じることです。 モーターはおそらく起動しますが、過大な電流が流れることがあります。

ソリューションは、モータ巻線と並列に接続された3つの抵抗ネットワークを使用して、図4bに示すように、仮想中性点を生成することです。 次に逆EMFは仮想中性点と比較されます。

第3の方法は、アナログ～デジタル変換器（ADC）（図4c）を採用することです。 BLDCモータ制御のために利用可能なMCUの多くは、この目的に適した高速ADCを含みます。 この方法では、MCUに直接供給することができるように逆EMFが減衰されます。 信号は、ADCによってサンプリングされ、ゼロ点に対応するデジタル値と比較されます。 2つの値が一致したときに、コイル通電シーケンスは次のステップにインデックスします。 この技術は、逆EMF信号から高周波スイッチング成分を除去するデジタルフィルタの使用などの、いくつかの利点を提供します。²

図4a： 逆EMFを測定するための簡単なコンパレータ回路（Microchip社提供）

図4b： 単純なコンパレータ回路は、仮想中性点を実装することによって改善することができます（Microchip社提供）。

図4c： 信号は、ADCによってサンプリングされ、ゼロ点に対応するデジタル値と比較されます（Microchip社提供）。

センサレスBLDCモータ制御には1つの主要な欠点があります。モータが静止しているとき、まだ逆EMFが生成されず、ステータとローター位置の情報がMCUに伝達されません。

ソリューションは、予め決定されたシーケンスでコイルを通電することにより、開ループ構成でモータを始動することです。 モーターが効率的に動作することはほとんどありませんが、回転を開始します。 最終的に、速度は制御システムが正常な（かつ効率的）閉ループ走行に切り替えるのに、十分な逆EMFを発生するのに適切となります。

逆EFMは回転速度に比例するので、センサレスBLDCモータは、非常に低い速度を必要とするアプリケーションでは良い選択肢ではありません。 ここでは、ホール効果センサを備えたBLDCモータが、ジョブのためのより良い選択かもしれません。

センサレスBLDCモータ制御システム

センサレスBLDCモータのますます高まる人気は、半導体ベンダーがそのようなユニットを制御し、駆動するジョブ用に特別に設計されたチップを開発するためのきっかけを提供しています。 モータの制御システムは一般的に、IGBTまたはMOSFETドライバーを組み込んだMCUで構成されています。

モータを駆動するために必要な最小限の周辺機器を誇る、簡単な低コストの8ビットデバイスから高性能な16ビットおよび32ビットデバイスにわたる、センサレスBLDCモータ制御に利用可能な多くのMCUがあります。 これらの周辺機器には、3相PWM、ADC、および過電流保護のためのコンパレータが含まれています。³

Zilogは、センサレスBLDCモータ制御用に16ビットMCUのZ16FMCファミリを提供しています。 同社は、ジョブがリアルタイムでPWMの更新を処理するためには、高速な割り込み応答を備えたMCUを必要とすると言います。 Z16FMCは、ADCとタイマ間、コンパレータとPWM出力間の自動化された相互運用を提供します。 図5はZilogのモータ制御MCUのブロック図を示します。

図5： ZilogのZ16FMCモータ制御MCUブロック図

Microchip PIC18F2431はまた、人気のあるセンサレスBLDCモータ制御用MCUです。 このチップは8ビットプロセッサを使用し、最大16MIPSの速度で動作することができます。 PIC18Fファミリの亜種は、3相モータ制御用PWM周辺機器に、最大8出力と10ビットおよび12ビットADCを内蔵しています。

その一部として、Texas Instruments (TI)は、3相BLDCユニット用のモータ制御評価キットを提供しています。 同社によると、DRV8312 PWMモータドライバをベースとしたDRV8312-C2-KIT（図6）は、市場投入までの期間の短縮のために開発を加速する、センサレスフィールド指向制御（FOC）およびセンサ/センサレス台形整流プラットフォームです。 アプリケーションには、医療ポンプ、ゲート、リフト、および小型ポンプの他、産業用および民生用ロボット工学と自動化を駆動させるための、サブ50Vおよび7Aのブラシレスモータが含まれます。

図6： TIの3相BLDCモータの評価キットは、DRV8312 PWMモータードライバに基づいています。

多数のアプリケーション

センサレスBLDCモータは、アプリケーションが汚い多湿環境にある場合は特に、ホール効果センサを使用するユニットよりも簡単で、潜在的に信頼性が高くなります。 モータは、正しいコイル励磁シーケンスを実施することができるように、ステータとロータの相対位置を決定するために、逆EMFの測定に依存します。

1つの欠点は、モータが静止しているときに逆EFMが発生しないので、起動が開ループの動作によって影響されることです。 これにより、モータが安定し、効率的に実行するには少し時間がかかることがあります。 第2の欠点は、低速では逆EFMが小さく測定することが困難で、非効率的な動作になることです。 これらのアプリケーションでは、センサ付きBLDCモーターの使用が考慮されるべきです。

しかし、他の多数のアプリケーション向けには、技術者はコンパクトでパワフルなセンサレスBLDCモータを利用することができます。 ジョブのために特別に設計されたMCUとIGBTまたはMOSFETドライバチップを使用することで、設計プロセスを容易にすることができます。 開発は、実績のあるセンサレスBLDCモータソリューションのためのリファレンス回路を提供する主要ベンダーからの評価キットを利用することによって、さらに合理化することができます。

リファレンス：

1. 「ブラシレスDC（BLDC）モータの基礎」、Padmaraja Yedamale、Microchip TechnologyのアプリケーションノートAN885、2003年。
2. 「センサレスBLDCモータ制御のためのPIC18F2431の使用」、Padmaraja Yedamale、Microchip TechnologyのアプリケーションノートAN970、2005年。
3. 「センサレスBLDCアプリケーションでの自律ペリフェラルの相互運用のためのニーズ」、Dave Coulson、ZilogのホワイトペーパーWP002003-0111、2011年。