センサーレス ブラシレス モーター コントローラー: 仕組みと使用時期

ホール効果センサーはコストがかかり、モーター内のスペースを占有し、すべてのコネクタに 3 本以上のワイヤを追加する必要があります。シンプルさ、コスト、信頼性が重要な産業用および民生用アプリケーションにおいて、エンジニアは長い間、「コントローラが独自にローターの位置を把握できたらどうなるだろうか?」と疑問を抱いてきました。その答えは、センサーレス ブラシレス モーター制御です。これは、専用のフィードバック ハードウェアを必要とせず、モーターの電気的動作からローターの位置情報を直接抽出する技術です。

現在、センサーレス制御はニッチな回避策ではありません。世界中の電動自転車のドライブトレイン、産業用ファン、HVAC コンプレッサー、電動工具、ロボット工学アプリケーションに電力を供給します。センサーレス コントローラーがどのように動作するのか、そして実際の限界はどこにあるのかを理解することは、ブラシレス DC アプリケーションに適切なドライブ アーキテクチャを選択するために不可欠です。

センサーレス制御の仕組み: 逆起電力の読み取り

すべてのブラシレス DC モーターは、ローターが回転するときに巻線に電圧を生成します。これは逆起電力、または逆起電力 (BEMF) と呼ばれる現象です。この電圧の振幅はローター速度に比例し、ステーター電流との位相関係はローター位置を直接エンコードします。 センサーレス コントローラーは、モーターの非通電相巻線の BEMF 波形を監視して、ローターが任意の瞬間にどこにあるかを判断します。

最も広く使用されている方法はゼロクロス検出です。 6 ステップ (台形) 整流で動作する標準的な三相 BLDC モーターでは、1 つの相は常に浮動状態であり、通電されていません。コントローラーはこの浮動相の電圧を測定し、BEMF がゼロを通過する時点を検出します。各ゼロクロスは特定のローター角度を示し、次の整流ステップをトリガーします。タイミングは予測可能で再現可能であるため、コントローラーは物理センサーなしで転流を実際のローター位置に同期させることができます。

このアプローチは技術的に簡単で計算量が軽いため、コスト重視の中高速アプリケーションで主流となります。私たちの B2B ブラシレス DC モーター コントローラー シリーズ 産業用および商用駆動システム向けに、複数の電力範囲にわたって最適化された BEMF ゼロクロス センサーレス制御を実装します。

FOC ベースのセンサーレス制御: より複雑でより高い精度を実現

ゼロクロス BEMF 制御は、定速アプリケーションに適しています。可変速度での滑らかなトルク、最小限の可聴ノイズ、または広い速度範囲にわたる動作を必要とするアプリケーションの場合、ベクトル制御とも呼ばれるフィールド指向制御 (FOC) は、大幅に優れたパフォーマンスを提供します。

センサーレス FOC では、コントローラーは単にゼロクロスを検出するだけではありません。代わりに、モーターの連続数学モデルを実行し、ステーターの電圧と電流をリアルタイムで追跡し、スライディング モード オブザーバー (SMO) や拡張カルマン フィルター (EKF) などのアルゴリズムを使用して、PWM サイクルごとにローターの位置と速度を推定します。その結果、コントローラーは、ローターが最後の整流イベントでどこにあったかだけでなく、現在のどこにあるかを数分の一程度の範囲で認識できるようになります。

FOC ベースのセンサーレス制御は、台形ではなく正弦波の電流波形を提供します これにより、6 ステップ整流に固有のトルク リップルが排除されます。電動自転車や小型EVの用途では、これはより静かでスムーズな乗り心地に直接つながります。産業オートメーションでは、より正確な速度調整と部分負荷時の効率の向上を意味します。の A6-2422 超静音ブラシレス DC モーター コントローラー 高度なセンサーレス FOC アルゴリズムを適用し、要求の厳しいドライブ環境における低ノイズ、高効率の動作向けに特に最適化されています。

スタートアップの問題: ゼロから稼働までの道のり

BEMF はローター速度に比例します。停止時や非常に低速では、BEMF は弱すぎて確実に検出できません。つまり、BEMF ベースのセンサーレス コントローラーには基本的な起動の課題があります。ローターの位置は不明であり、位置情報なしで転流を試みると、モーターが後方に傾いたり、失速したり、過剰な電流が流れたりする危険があります。

コントローラーは、2 フェーズの起動戦略でこれを処理します。まず、制御された開ループ ランプです。コントローラーは、低速の所定の周波数で回転磁場を適用し、ローターを強制的にそれに合わせて追従させます。つまり、基本的にモーターを BEMF が検出可能になる最低速度まで引きずります。十分な BEMF が存在すると、コントローラーは閉ループのセンサーレス動作に移行します。 この移行の質によって、起動がどの程度スムーズに感じられるか、また負荷がかかっているときにモーターがどの程度確実に同期するかが決まります。

高度なセンサーレス コントローラーは、初期ローター位置検出 (IPD) またはインダクタンスの非対称性から停止時のローターの方向を決定できるパルス注入技術を追加し、よりターゲットを絞った起動シーケンスを可能にし、開ループのランプ時間を短縮します。の A8-2209 高安定性ブラシレス DC モーター コントローラー 負荷状況下でも信頼性の高いコールド スタート パフォーマンスを実現するように設計された強化された起動アルゴリズムが組み込まれています。

センサーレス vs. ホール効果センサー: 適切なアーキテクチャの選択

どちらのアーキテクチャが普遍的に優れているというわけではありません。正しい選択は、アプリケーションの速度範囲、負荷プロファイル、コストの制約によって異なります。

センサーレス コントローラーは、ファン、ポンプ、コンプレッサー、電動自転車、電動工具、およびモーターが主に中高速で動作し、ホール センサーの追加配線によりコストや信頼性のリスクが増大するあらゆるアプリケーションに推奨されます。センサー付きコントローラーは、ダイレクトドライブ昇降機構やサーボ式位置決め軸など、全負荷時の起動トルク、非常に低速の動作、静止状態からの正確な位置制御を必要とするアプリケーションにとって、依然として優れた選択肢です。

の R2-2319 高互換性ブラシレス DC モーター コントローラー はセンサーレス動作とホール効果センサー動作の両方をサポートしており、設計者はコントローラーのハードウェアを変更することなく制御アーキテクチャをモーターやアプリケーションに柔軟に適合させることができます。

センサーレス ブラシレス コントローラーが最大の価値を発揮する場所

センサーレス制御は、中速から高速での連続動作、センサーの信頼性が懸念される環境、より単純なモーター構造を好むコスト圧力など、共通の特性を共有する一連のアプリケーション タイプに特に適しています。

• 電動自転車と小型電気自動車: ミッドドライブおよびハブモーターシステムは、センサーレス FOC から大きな恩恵を受けます。可変アシストレベルでのスムーズで静かなトルク伝達は、まさにこの制御アーキテクチャが提供するものであり、ホールセンサーの配線を排除することで、雨、振動、極端な温度下でも確実に動作することが期待される製品の故障モードが減少します。
• HVAC および冷凍コンプレッサー: 可変速度コンプレッサー ドライブは、停止トルクを必要とせずに、定義された速度設定値で連続的に動作します。センサーレス制御はこれを効率的に処理しながら、容量制御とエネルギー節約のための速度調整を可能にします。
• 工業用ファンおよびポンプ: のse centrifugal loads have favorable torque-speed curves—low startup torque, rising with speed—that make sensorless startup straightforward. Energy savings from variable speed operation are substantial; a 20% reduction in fan speed typically cuts power consumption by roughly 50% due to the cube law relationship between speed and power.
• 電動工具および園芸用品: 高速動作、コンパクトなモーターパッケージ、コスト重視のすべてがセンサーレス設計に有利です。また、センサー配線が不要なため、モーターの製造が簡素化され、塵や湿気の侵入ポイントが減少します。
• 巡航速度でのロボットと AGV: 走行速度でほとんどの時間を費やす関節アクチュエータとモバイル プラットフォームの駆動輪は、センサーレス FOC の効率とトルクの滑らかさの恩恵を受けますが、起動または復帰シーケンスにはセンサーによる支援や開ループ位置決めが必要な場合があります。

ソフトウェア定義の制御アルゴリズムがこれらのアプリケーション全体でブラシレス モーター ドライブのパフォーマンスをどのように変革しているかについてのより広い視野については、当社の業界分析を参照してください。 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 .

センサーレス ブラシレス モーター コントローラーを選択する際の注意点

センサーレス コントローラーの選択には、電圧と電流の定格を一致させるだけでは不十分です。 5 つのパラメータは細心の注意を払う必要があります。

1. 制御アルゴリズムの品質: BEMF ゼロクロスは、定速負荷には適切です。可変速度、スムーズなトルク、または低ノイズの要件については、正弦波 FOC を備えたコントローラーを指定します。システムのパフォーマンスは、ハードウェアだけでなくアルゴリズムの実装によって決まります。
2. 負荷時の起動機能: コントローラの起動シーケンスが、実際の負荷慣性および起動トルク要件の下で確実にモータを同期させることができることを確認します。最小供給電圧と最大負荷でテストしてマージンを見つけます。
3. 速度範囲: すべてのセンサーレス コントローラーには最低動作速度があり、それを下回ると BEMF 検出が信頼できなくなります。低速クロールや位置決め要件など、アプリケーションの最低必要速度に対してこの下限を確認してください。
4. 自動チューニングとパラメータの識別: 高品質のセンサーレス コントローラーは、モーター パラメーター (抵抗、インダクタンス、鎖交磁束) を自動的に識別できます。これにより、コミッショニングが簡素化され、駆動される特定のモーターに対して推定アルゴリズムが正しく校正されることが保証されます。
5. 保護機能: 過電流、過電圧、不足電圧、過熱、およびストール検出が基本要件です。失速検出はセンサーレス動作において特に重要です。モーターが同期を失った場合、コントローラーは失速したローターにトルクを加え続けるのではなく、これを迅速に認識して正常に再起動する必要があります。

私たちの コントローラーとモーターのペアリングガイド さまざまなアプリケーション カテゴリにわたって、センサーレス コントローラー モデルをモーター仕様に適合させるための具体的な推奨事項を提供します。カスタム OEM ボリュームおよびアプリケーション固有のコントローラー要件については、 B2Bモーターコントローラープログラム 仕様から製造検証までのエンジニアリング サポートをカバーします。