BLDC モーターの速度制御: 開ループ、閉ループ、PID の説明

BLDC モーターにアクティブ速度制御が必要な理由

ブラシ付き DC モーターは、かなり直接的な方法で減速または加速します。ブラシ間の電圧を変更すると、モーターが応答します。ブラシレス DC (BLDC) モーターにはそれほど贅沢はありません。ブラシと機械式整流子がなければ、どの瞬間にどの巻線に通電するかを別の何かが決定する必要があり、その同じシステムが速度にも影響を与えることになります。

その「何か」とはモーターコントローラーです。モーターの回転を維持するために三相巻線を流れる電流を正しい順序で切り替えます。また、その切り替えがどのように起こるかを調整することで、ローターの回転速度も設定します。制御戦略を間違えると、モーターが要求された速度に到達できなかったり、安定した状態を維持できずにハンチングして振動したりします。この問題は常に発生します。 ハブ モーターは通常、速度制御された BLDC ドライブと組み合わせられます 電動自転車や軽量EVでは、ライダーはスロットル応答が即座にリニアに感じられることを期待します。

オープンループ速度制御: PWM デューティ サイクル

BLDC モーターの速度を制御する最も簡単な方法はオープンループです。コントローラーはパワー トランジスタに電力を供給するパルス幅変調 (PWM) デューティ サイクルを調整します。これにより、巻線に印加される平均電圧が変化し、速度が変化します。デューティサイクルが高く、平均電圧が高く、回転が速くなります。モーターが実際に要求された速度に達したかどうかをチェックするフィードバック ループはありません。コントローラーはデューティ サイクルを命令し、モーターが従うことを信頼するだけです。

このアプローチは、安価で実装が簡単なため一般的です。 センサー付きBLDC制御に関するテキサス・インスツルメンツのアプリケーション・ガイダンス 特に、入力と結果の速度の関係が予測可能で、厳密な追跡が重要ではないシステムでうまく機能すると指摘しています。このトレードオフは、負荷が変動する場合に現れます。フィードバックがないと、負荷が突然増加すると速度が低下し、コントローラーは補償が必要であることを知る方法がありません。

閉ループ速度制御: ホール センサーとフィードバック

閉ループ制御は、通常は転流用にすでに存在するホール効果センサーから、場合によっては専用のエンコーダーからのフィードバック信号を追加することで、その盲点を解決します。コントローラーは実際の速度を目標速度と継続的に比較し、誤差を計算し、ギャップを埋めるためにリアルタイムで PWM デューティ サイクルを調整します。

ホール センサーは転流目的でローターの位置をすでに報告しているため、ホール状態遷移間のタイミングから速度を導き出すことにより、追加のハードウェア コストはほとんど追加されません。そのため、ほとんどの商用 BLDC アプリケーションでは、ホールベースの閉ループ制御がデフォルトの選択肢となり、別個の速度センサーを必要とせずに、負荷が変化しても速度を一定に保ちます。

PI および PID 制御: 閉ループ精度を支えるアルゴリズム

閉ループ制御内の計算は通常、目標速度と実際の速度の間の誤差に作用する PI または PID コントローラーに帰着します。

PI (比例積分) コントローラーは、現在の誤差に反応する比例項と、時間の経過とともに過去の誤差を蓄積する積分項を組み合わせます。これにより、比例項だけが残す小さな定常状態のオフセットが排除されます。微分項を追加すると、誤差の変化率にも反応する完全な PID コントローラーに変わります。これは、目標速度を超えて振動することなく、目標速度に素早く落ち着く必要があるシステムのオーバーシュートを抑えるのに役立ちます。

PI 制御は、完全な PID ループよりも調整が簡単で、センサー ノイズの影響を受けにくいため、汎用速度調整の実際的なデフォルトになる傾向があります。 PID は、ロボット工学やドローンなどのアプリケーションではさらに複雑になります。このアプリケーションでは、調整の単純さよりも、新しい速度での高速かつ正確な設定が重要になります。

コントローラーの選択が実際の速度制御の品質に与える影響

制御アルゴリズムは、それを実行するハードウェアと同等にのみ機能します。制御ループが遅い、または電流検出が不十分なコントローラーでは、PID ゲインが適切に調整されていても、依然としてハンティングや遅延が発生します。そのため、応答速度はソフトウェアだけでなくハードウェアの仕様としても重要です。 素早い速度補正を実現する高速応答コントローラー 負荷の変化とコントローラーの補償応答の間の遅延を短縮します。これが、クリーンベンチテストではなく実際の負荷変動下でモーターがどの程度安定していると実際に感じるかを決定します。

PWM スイッチング周波数とそのモータ巻線との相互作用は、速度制御の可聴側および機械側にも影響します。スイッチング方式の調整が不十分だと、デューティ サイクルが変化するにつれて悪化する鳴き声や振動が発生する可能性があります。 高速時のPWMスイッチングノイズを抑える超静音コントローラー これは、実際の性能と同じくらいモーターの可聴ノイズが苦情の原因となる民生用アプリケーションでは重要な問題です。

信頼性の高い速度制御を実現するコントローラーとモーターのマッチング

適切に設計された閉ループ コントローラーであっても、定格電流、ホール センサー構成、および駆動するモーターの間の不一致を補償することはできません。極数、位相抵抗、センサーのタイミングはすべて、コントローラーがフィードバックをどれだけ正確に読み取って応答できるかに影響を及ぼします。ペアリングの不一致は、粗い低速動作、過剰な熱、完全に安定しない速度制御として現れます。 コントローラーとモーターのペアリングガイド 現場で問題が発生する前に、コントローラーの仕様が実際に駆動するモーターに適合していることを確認する方法について説明します。

制御アルゴリズム自体がファームウェアにどのように実装されるかをさらに詳しく知りたい読者のために、 最新のモーターコントローラーの背後にあるソフトウェア層を詳しく見ていきます これらの制御ループがどのように構成され、ファームウェア レベルで調整されるかについて説明します。