逆起電力の説明: 逆起電力がモーター コントローラーの設計をどのように形成するか

ブラシレス モーターがフルスピードで回転し、パワー ステージが突然オフになることを想像してください。ローターは回転し続け、モーター端子には電圧が表示され続けます。その電圧は逆起電力であり、逆起電力とも呼ばれます。モーターは発電機として機能し、電流の流れを制限する逆電圧を生成します。設計エンジニアや調達チームにとって、逆起電力は理論上の脚注ではありません。これは最大速度を設定し、整流タイミングに影響を与え、コントローラーがどの程度堅牢である必要があるかを決定します。

逆起電力とは何ですか?

逆起電力はファラデーの誘導の法則に従います。固定子巻線に電流が流れると、磁界が発生します。ローターがその巻線を通過すると、巻線を結ぶ磁束が変化し、この変化によって電圧が誘導されます。レンツの法則により、誘導電圧は動きを生じた電流と逆の方向に作用します。ローターの回転が速くなるほど、この逆電圧は高くなります。誘導電圧は文字通り印加電圧に逆らうため、逆起電力という用語も使用されます。

数学的形式では、逆起電力は次のようになります。 E = ケ × ω ここで、Ke は逆起電力定数、ω は角速度です。 Ke は、巻線のターン数、磁石の強さ、モーターの形状によって異なります。永久磁石モーターでは、Ke は通常 V/krpm で表され、モーターとコントローラーを組み合わせるときに最初に比較する値の 1 つです。

モータードライブ設計において逆起電力が重要な理由

逆起電力は、モーター ドライブのほぼすべての部分に影響を与えます。これは、いつ切り替えるか、モーターがどれくらいの速度で動作できるか、センサーレス整流が可能かどうかをコントローラーに伝えます。

逆起電力と整流

ブラシレス DC モーターでは、常に 3 相のうち 2 相のみが通電されます。コントローラは、いつ電流を次の巻線ペアにシフトするかを認識する必要があります。センサー付き設計では、ホール センサーがそのタイミングを提供します。センサーレス設計では、コントローラーは非通電相での逆起電力のゼロクロスを検出します。低速では、この信号は小さくなります。高速では強いです。そのため、数百 RPM 以上ではセンサーレス整流が容易ですが、停止状態からの始動には別の戦略が必要になります。

最新のセンサーレス ドライブの多くは、モーターの開ループを開始し、信号が安定すると逆起電力検出に切り替えます。このアプローチは私たちの場合に使用されています 高効率ブラシレスDCモーターコントローラー これにより、幅広い速度範囲にわたって効率的なスイッチングが維持されます。

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逆起電力と速度制限

単純化された等価回路では、電源電圧は巻線抵抗降下に逆起電力を加えたものと等しくなります。速度が増加すると、逆起電力が上昇し、巻線に電流を流すための電圧が減少します。無負荷では、モーターは逆起電力がバス電圧にほぼ等しく、電流がほぼゼロになる速度で動作します。たとえば、Ke が 10 V/krpm の 48 V モーターは、逆起電力がバス電圧と等しくなる前に、無負荷で約 4,800 rpm に達します。高速化するには、バス電圧を上げるか、Ke を下げる必要があります。したがって、高 Ke モーターは常に好ましいとは限りません。コントローラーが弱め界磁を適用できない限り、高速性能が制限されます。

センサーレス制御における逆起電力

永久磁石同期モーターの場合、逆起電力は正弦波です。センサーレス制御では、オブザーバーを使用して逆起電力ベクトルからローターの位置を推定し、機械センサーが必要なくなります。これによりコストが削減され、信頼性が向上しますが、オブザーバーは慎重に調整する必要があります。負荷が突然変化した場合、逆起電力の推定値は実際の信号と一致する必要があります。低レイテンシー電流ループを備えたコントローラー。 高速応答ブラシレスDCモーターコントローラー 、観察者に従うべきより明確な信号を与えます。

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逆起電力を解釈するソフトウェア層を理解することは、ハードウェアと同じくらい重要です。さらに詳しく見てみると、 最新のモーターコントローラーにおけるソフトウェアの役割 は、駆動ロジックがどのように進化しているかを示しています。

実際に逆起電力を測定する方法

逆起電力は単なる計算値ではありません。直接測定できます。オシロスコープを使用して、中性点を基準としたモーターの位相を調べ、モーターを回転させ、ピーク電圧を読み取ります。モーターがコントローラーによって駆動される場合、スイッチング ノイズを避けるために、PWM オフ時間中に端子電圧を捕捉します。いくつかの速度で電圧を記録すると、傾きが Ke の直線曲線が得られます。

Ke を測定するには、モーターを 1,000 rpm で回転させ、ピーク線中性線間電圧を読み取ります。スコープが 12 V を示している場合、その巻線構成では Ke は約 12 V/krpm になります。ライン間測定の場合、読み取り値を√3 で割って、位相ごとの値を取得します。

PMSM ドライブがどのように進化しているかに興味のある読者のために、 永久磁石同期モーター技術の継続的な進歩 新しい制御方法に役立つコンテキストを提供します。

コントローラー選択のための実際的な設計上の考慮事項

電圧マージンと過電圧保護

すべてのモーター コントローラーには最大バス電圧定格があります。回生ブレーキまたは急減速中、逆起電力によりバス電圧が電源レールを超える可能性があります。コントローラーに保護機能がない場合、バス コンデンサまたはパワー MOSFET が損傷する可能性があります。適切に設計されたドライブは、回生電流を制限するか、過剰なエネルギーを抵抗器に捨てます。速度を大幅に変更するアプリケーションの場合、 高性能モーターコントローラー 専用の保護ロジックを備えたこのドライブは、一般的なドライブよりも安全に逆起電力過渡現象を処理します。

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コントローラーとモーターのマッチング

逆起電力定数 Ke は、コントローラーの電圧定格およびアプリケーションの速度範囲と一致する必要があります。低速トルク用に最適化されたモーターは Ke が高く、RPM あたりの電圧が高くなります。同じモーターを高速に到達させる必要がある場合、コントローラーはより高い電圧を処理するか、弱め界磁を使用する必要があります。 Low-Ke モーターはより高速に動作しますが、同じトルクでもより多くの電流を消費します。ペアリングを固定する前に、必ず定格電圧、Ke、およびピーク電流制限を比較してください。

温度によって計算はさらに複雑になります。強力な磁石は加熱すると磁束のわずかな割合を失い、Ke が減少し、逆起電力が低下します。モーターは同じ電圧でより速く動作しますが、アンペアあたりのトルクは小さくなります。温度制限を含むコントローラーで補償できますが、システムの高速動作は依然として変化します。

結論: 逆起電力は設計入力である

逆起電力は平均化できるほどの障害ではありません。これは、ローター速度、スイッチング タイミング、および必要な電圧マージンを報告する物理信号です。モーター コントローラーを評価するときは、低速時、高速時、回生時にどのように逆起電力をサンプリングするかを検討してください。モーターとコントローラーの正しい組み合わせによって、効率、信頼性、寿命が決まります。

として モータードライブサプライヤー , Shanghai APT Power Technology は、これらの現実に基づいてブラシレス DC および PMSM コントローラーを構築しています。新しいドライブトレインを指定する場合は、当社の製品範囲のモーターとコントローラーを確認し、Ke、バス電圧、および逆起電力が実際の動作範囲内でどのように相互作用するかを検討してください。