トルク制御の解説: BLDC モーター コントローラー選択の実践ガイド

電動バイクが乗客を乗せながら急な坂道で姿勢を維持しているところを想像してください。スピードコントローラーは低い目標速度を維持しますが、小さなスロットルブリップにより、制御された発進が激しいジャークに変わる可能性があります。ここで、少し狭すぎる出入り口を横切る配達ロボットを想像してください。コントローラーが最大電流で押し続けると、ギアボックスが衝撃を吸収します。どちらの状況も、速度や位置ではなくモーターが生成する回転力を制御する動作モードであるトルク制御によって解決されます。

この記事は、電動バイク、ロボット シャーシ、電動 ATV、UTV、船外機用のブラシレス モーター コントローラーを評価しているエンジニアおよび OEM プロジェクト チームを対象に書かれています。 BLDC または PMSM ドライブにおけるトルク制御が実際に何を意味するのか、コントローラーがそれをどのように実現するのか、実際の操作でトルクがスムーズで応答性が高いと感じるかどうかを決定する仕様について説明します。

トルク制御の実際の意味

トルク制御は、シャフトトルクがライダー、ドライバー、またはモーションコントローラーによって与えられたコマンドに従うように、モーターに供給される電流を調整します。目標速度を維持できません。ローターの位置は保持されません。モーターは、加えられたトルクとシャフトに取り付けられた負荷から生じる速度を生成します。

簡単な比較が役立ちます。手押しカートを押すと、腕に力が加わり、カートは転がり抵抗や傾斜に抗してその力が生み出す速度で動きます。腕はトルク制御を行っています。代わりにカートの速度をロックした場合、それは速度制御になります。

トルク制御も保護機能です。 15 Nm を超えないようにプログラムされたコントローラーは、たとえドライバーが要求しても 20 Nm を出力しません。緩い砂利上でのホイールのスリップ、アクチュエーターのブロック、またはベアリングの部分的な焼き付きは、ドライブラインのストレスに直接変換されなくなりました。このため、トルク制限がモーション システムの安全機能として頻繁に使用されます。

ブラシレスコントローラーが制御されたトルクを供給する仕組み

ブラシレス DC モーターまたは永久磁石同期モーターでは、トルクは直交軸の電機子電流に比例します。したがって、トルク制御は電流制御です。適切に設計されたコントローラーは、相電流を測定し、トルク発生成分をトルク指令と比較し、インバーターのスイッチング パターンを調整して誤差を低減します。この内部電流ループは、トルク制御が実際に行われる場所です。

フィールド指向制御と電流ループ

一般に FOC と呼ばれるフィールド指向制御は、測定された三相電流を回転基準座標系の 2 つの成分 (d 軸の磁化成分と q 軸のトルク生成成分) に変換します。コントローラは、要求されたトルクに一致するように q 軸電流を指令し、表面実装 PMSM の d 軸電流をゼロ付近に保ちます。この電流ループの帯域幅によって、トルク補正が行われる速度が決まります。 10 ～ 20 kHz で更新されるループは、負荷の変化に数ミリ秒で反応します。これが、安定したクロールと低速での途切れ途切れの動作の違いです。 FOC が主な理由 永久磁石同期モーター技術は進化し続けています トラクション用途: ソフトウェアの変更だけで、同じハードウェアがよりスムーズなトルク、より高い効率、回生ブレーキを実現します。

センサーフィードバックとセンサーレス操作

トルク制御の品質は、ローター位置のフィードバックに大きく依存します。ホール センサーは粗い 60 度の分解能を提供します。これは台形整流には十分ですが、低速でのスムーズなトルクには十分ではありません。エンコーダとレゾルバは連続的なローター角度を提供し、停止近くでも FOC が正確なトルクを保持できるようにします。センサーレス アルゴリズムは逆起電力からローターの位置を推定するため、センサーのコストは削減されますが、逆起電力が存在しないゼロ速度ではフル トルクを維持できません。多くの量産ドライブでは、センサーベースの始動と数百 RPM を超えるセンサーレスでの動作というハイブリッド戦略が採用されています。

相電流の検出も同様に重要です。ローサイドシャント抵抗は安価ですが、ノイズに敏感です。統合された位相センサーはコストが高くなりますが、低電流でよりクリーンな測定を実現します。サンプリング周波数と電流信号のフィルタリングによって、シャフトに見られる実際のトルク リップルが設定されるため、データシートのトルク数値は、コントローラで使用されるセンシング アーキテクチャと合わせて読み取る必要があります。

実際のアプリケーションでトルク制御が重要な理由

トルク制御は、電動モビリティとロボット工学のあらゆる主要なアプリケーション カテゴリで測定可能な動作を変化させます。

• 電動バイク。 坂道での制御された発進、濡れたアスファルトでの車輪のスリップ防止、スムーズなランプで負のトルクを加える回生ブレーキ。トルク制限がないと、ライダーがスロットルをひねったときにモーターが激しく作動する可能性があります。
• ロボットのシャーシ。 トルク制限により、衝突時にギアとモーターを保護します。自律移動ロボットが予期せぬ障害物に突っ込むと、コントローラーはドライブトレインにフルパワーを供給する代わりに電流を制限します。
• 電動 ATV と UTV。 不整地での低速クローリングには、正確な低トルク出力が必要です。速度制御システムは、車輪がトラクションを失ったり再びトラクションを取り戻したりすると、急上昇する傾向があります。
• 電動船外機。 流れや風に対して一定の推力を与えるには、コントローラーが速度ループよりも速く負荷の変化に応答する必要があります。

の モータードライブ製品のマルチシナリオへの適応 は、まさにこの需要を反映しています。1 つのコントローラー プラットフォームで、小さなロボットの車輪から大きな ATV ドライブラインに至るまで、幅広いトルク コマンドを処理する必要があります。

トルクの品質を決定する主要な仕様

トルクに敏感なアプリケーション用のコントローラーを調達する場合、連続電流定格とピーク電流は出発点にすぎません。以下の仕様はトルクの挙動に大きな影響を与えます。

1. 現在のループ更新レート。 更新レートが高くなると (通常は 10 ～ 20 kHz)、トルク コマンドの変化とシャフト上の実際のトルク変化の間の遅延が短くなります。
2. PWM周波数。 スイッチング周波数が高くなると、電流リップルと可聴ノイズが減少しますが、スイッチング損失が増加します。静かな動作を目的としたコントローラーは、両方のバランスがとれた周波数を選択します。
3. 電流検出の分解能とノイズ。 の smallest measurable current step sets the smallest torque step. A noisy sensing circuit produces torque chatter at low load.
4. トルクリップル。 トルクリップルが低いため、低速での回転がスムーズに保たれます。これはロボットの関節やプロペラにとって重要です。
5. 過負荷機能。 坂道発進や障害物処理時の一時的なトルクのピークは、通常、連続定格を超えます。実際のデューティ サイクルに対して過負荷曲線を確認してください。
6. のrmal behaviour. 持続トルクはコントローラの熱設計により設定されます。早期にスロットルを調整するコントローラーは、長時間の動作中に利用可能なトルクを静かに減少させます。

コンポーネントの品質は数値以上に重要です。トルク制御されたドライブは、相電流を毎秒数百回切り替えます。コネクタやはんだ接合部の断続抵抗は電流測定ノイズとして現れ、トルクチャタリングとなります。これが、ハードウェアの材質品質が単なるマーケティング上の主張ではなく、正当なエンジニアリング仕様である理由です。

プロトタイプのテスト中に、実際のモーターを使用してデータシートのトルク リップルの数値を検証することも価値があります。メーカーは、プロジェクトで使用する予定の生産フレーム、特定の巻線インダクタンス、または PWM 周波数と一致しない可能性がある制御された条件下でトルク リップルを測定します。いくつかの速度ポイントでトルクを記録する短いベンチテストにより、後に現場での苦情となる問題のほとんどが明らかになります。

コントローラーとモーターおよびデューティサイクルのマッチング

トルク制御性能はシステム特性であり、コントローラ単体の特性ではありません。電流ループは、モーター巻線のインダクタンスと抵抗に合わせて調整されます。同じコントローラーを異なるパラメーターを持つモーターに接続すると、トルク応答が振動したり鈍くなったりする可能性があります。これが、システム設計の一部としてコントローラーとモーターをペアにすることが、いずれかのコンポーネントを単独で選択するよりも重要である理由です。

高速なトルク応答が必要なアプリケーションの場合、 R5-2215 高速応答ブラシレス DC モーター コントローラー トルク指令と機械シャフトトルクの間の遅れを最小限に抑えるように設計されています。都市型電動バイクなどの効率重視のプラットフォームの場合、 A4-2313 高効率ブラシレス DC モーター コントローラー 電気損失を低減しながらトルクを正確に保持します。動的トルクが要求される高電圧、高出力アーキテクチャの場合、 Tシリーズ高性能モーターコントローラー ATV、UTV、およびより大型のロボット プラットフォームが通常必要とするより広い範囲をカバーします。

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ここではソフトウェアが中心的な役割を果たします。トルクランプ整形、電流ループ調整、および故障動作はファームウェアで設定されるため、同じハードウェアを貨物用電動自転車、車椅子、船舶用ドライブ用に調整できます。トルク管理のソフトウェアへの移行は、詳細な記事のテーマの 1 つです。 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 .

結論

トルク制御は単一のコンポーネントまたはアルゴリズムではありません。 これは、電流検出チェーン、ローター位置フィードバック、電流ループ ファームウェア、インバーター ステージ、および物理コネクタの品質を介して実行されます。電気自動車やモバイル機器を製造する OEM にとって、トルクをスムーズに調整できるかどうかは、製品が実際の負荷の下で予測可能で洗練されていると感じるかどうかを決定します。コントローラーの選択段階で電流ループの帯域幅、トルク リップル、過負荷の動作、およびソフトウェアの構成可能性を評価することは、プロジェクト後半でのドライバビリティの再エンジニアリングを回避する最も直接的な方法です。