モーター制御回路図

モータ制御原理は、モータの動作原理、制御方法、実用化などを含むモータ技術分野の核心です。現代産業の発展に伴い、モーターはエネルギー変換と伝達のための重要なデバイスとなり、その制御精度と効率はシステム全体の性能と効率に直接影響します。したがって、モーター制御原理を深く理解して研究することは、理論的かつ実践的に重要な意味を持ちます。-

まず、モーターの動作原理

モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であり、その動作原理は電磁誘導の法則と電磁力の法則に基づいています。動作原理によれば、モーターは DC モーターと AC モーターの 2 つのカテゴリに分類できます。

1. DC モーターの動作原理

DC モーターは、アーマチュアコイルと磁場コイルの相互作用を通る DC 電流の流れを利用してトルクを生成し、デバイスの機械的動作を実現します。その主な構造には、アーマチュア、磁極、ブラシ、磁場が含まれます。 DC 電流がアーマチュアコイルを通過すると、アーマチュアと磁界の間に相互作用する磁界が発生し、モーターの回転を開始するトルクが発生します。 DC モーターの速度は、電機子電圧または電機子電流を調整することで制御できます。

2. ACモーターの動作原理

ACモーターは、交流電流の一定の変化を利用して回転磁界を発生させ、機械的な動きを実現する装置です。回転磁界の発生原理により、ACモーターは非同期モーターと同期モーターの2種類に分けられます。非同期モーター (誘導モーターとも呼ばれます) は、電磁誘導の原理に基づいています。ステータ巻線に交流電流が流れるとステータに回転磁界が発生し、ロータは誘導効果により回転磁界と相互作用し、回転トルクを発生してモータを駆動します。同期モーターはモーター速度と電源周波数に基づいて動作し、モーターの動作速度と電源周波数の間には一定の比例関係があり、その速度と電源周波数は厳密に同期されます。

第二に、モーターの制御方法

モータの制御方法には主に速度制御、始動制御、制動制御があります。これらの制御方法とその原理については、以下で詳しく説明します。

1. 速度制御

速度制御はモーター制御の最も重要かつ複雑な側面です。速度制御方式には抵抗分圧速度制御、周波数変換速度制御、ベクトル制御などがあります。抵抗分圧速度制御は、モーターの電源電圧を変化させることでモーターの速度を下げる方法で、シンプルで実装が容易ですが、効率は低くなります。周波数変換速度制御は、電源から供給される交流電力の周波数を変化させてモーターの速度を制御する方式であり、広い速度範囲と高効率を実現できます。ベクトル制御は、モーターの電流と磁界を精密に制御することでモーターの速度とトルクの精密な調整を実現する、より高度な制御方式であり、モーターの性能がより要求される場面に適しています。

2. 始動制御

起動制御とは、モータが停止状態から走行状態に移行する過程の制御です。非同期モータは起動トルクが小さいため、スムーズな起動を実現するには特殊な方法が必要です。一般的な始動制御方法には、直接始動、減圧始動、ソフト始動などがあります。直接始動は簡単ですが、始動電流が大きく、電力網への影響が大きくなります。減電圧始動とは、供給電圧を下げることによって始動電流を減らすことです。ソフトスタートは、パワーエレクトロニクスデバイスを使用して、モーター始動プロセスのスムーズな制御を実現します。

3. ブレーキ制御

ブレーキ制御とは、モータが走行状態から停止状態に移行する過程の制御です。ブレーキ制御方法には、エネルギーブレーキ、リバースブレーキ、フィードバックブレーキなどさまざまな方法があります。-エネルギー消費制動は、モーターの固定子巻線を介して DC 電源に供給され、制動トルクを生成します。逆ブレーキは、モータ電源の相順を変更してモータトルクと逆方向の回転を生み出し、ブレーキを実現します。フィードバックブレーキ-は、機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、グリッドにフィードバックされてブレーキを実現するモーターの生成特性を利用します。

第三に、モーター制御回路図

1. 永久磁石モータ制御回路図

永久磁石モータの制御回路の概略図です。この回路は永久磁石制御を制御するために使用されます。永久磁石モーターは発電機であり、標準のトライアックスイッチング素子では適切に転流することが難しいため、この回路では AC トライアックスイッチング素子を使用して転流特性を向上させています。永久磁石モーターには全波 DC 整流が必要です。-

AC 双方向サイリスタは、整流器ブリッジの AC 入力側に直列に接続されています。ブリッジの DC 側に SCR を取り付ける際の最も重要な部分は、ターンオンの遅延と半サイクルの終わり近くのタイミングに対処することです。-この回路は広い範囲の制御を提供するため、AC トライアックスイッチング要素を高速に、またはモータの回転数が低い場合には低伝導でトリガーできます。 AC 抵抗器と整流器の電圧定格は同様です。すべては実際のモーター負荷とライン電圧要件に基づいています。

2. 555 IC 電流リミッター付き PWM モーター制御回路図

モーター速度の素早い変化とモーター方向の反転を実現するために、4 つの出力が MOSFET H{0}} ブリッジを駆動します。 N- チャネルデバイスは下位レールパワー MOSFET で、P- チャネルは上位レールパワー MOSFET です。それらはすべて TC4469 によって駆動されます。

小さな直列抵抗は、ゲート発振を防止し、下位レールデバイスの遷移時間を遅くするのに役立ち、上位デバイスをオフに保つのに役立ちます。抵抗分割器と低コストのレベルシフトトランジスタを簡単かつ経済的に追加して、上部レール MOSFET の 15VDC ゲート駆動を維持し、12VDC を超えるモータ電圧を実現できます。-

ICM7555 と TC4469 は無視できる電流を必要とするため、15VDC を超える電圧では、単純なリニアレギュレータで正のモータ電源から電力を供給できます。ゲートを電源過渡現象から保護するために、ツェナーダイオードを使用できます。同じブリッジアームの下側 MOSFET が「オン」の場合、高い dV/dT が生成され、ゲート-ソース間コンデンサ-が上側 MOSFET を「オフ」に保つのに役立ちます。この状況に対するもう 1 つの解決策は、「オフ」状態で上部 MOSFET のゲート駆動インピーダンスを低く保つことです。

H- ブリッジグランドピンの検出抵抗は、モーターが正転しているか逆転しているかに関係なく、モーター電流をパルスごとに検出する簡単な方法を提供します。モーター電流が許容値を超えた場合に PWM 生成を禁止するために、この信号はフィルター処理されて ICM7555 に適用されます。

3. ステッピングモーター制御回路図

ステッピングモーターは、シンプル、低コスト、正確な位置制御を実現します。{0}ステッピングモーターは、モーターの近くに取り付けられた回路によって駆動でき、長いケーブルを介してリモートコントロール回路によって制御できます。この回路は、モーターとドライバー回路の両方への電力が 2 本のワイヤーを介して送信され、制御信号も送信されるという点で興味深いものです。

LMC555 CMOS タイマー集積回路 (IC1) は、ステッピングモーターに 200 マイクロ秒のパルスを生成し、その速度を制御します。このパルスの周波数を変えることでモーターの速度を変えることができ、この目的のために R1 可変抵抗器が提供されています。 IC1 (ピン 3) の出力で、負のクロックパルスが IRL530N (Q1) パワー FET のゲートを駆動し、即座に閉じてドライバーボードをグランドから切り離します。この停電により、モーターをステッピングする信号がモータードライバーに送信されます。回転方向は、相互接続 L1 および L2 を介してドライバー回路に印加される電圧の極性によって制御されます。

MPSA05 バイポーラ NPN トランジスタ Q2 と MPSA55 PNP トランジスタ Q3 および Q4 はピン 3 からのパルスを反転し、Q1 がオフになると Q1 のドレインを High に引き上げます。トグルスイッチ S1 は極性を切り替えることで方向を設定します。押しボタン S2 は時計のオン/オフによりモーターを起動および停止します。

4. 正転、逆転、ブレーキ動作を伴う PWM モータ制御回路図

この PWM モーター制御回路は、DC モーターのさまざまな制御を提供します。 DC モーターを制御して、停止するまで正転、逆転、またはブレーキをかけることができます。

この回路は、MOSFET ブリッジを使用してモーターを駆動し、多数の論理ゲートと小型バイポーラトランジスタによって制御されます。モーターの電圧は 10 ～ 20 ボルト、電流は最大 8 アンペアにする必要があります。 MOSFET には適切なヒートシンクを取り付ける必要があります。 V+ 入力には、DC モーターの動作電圧 (10 ～ 20 ボルト) によって電力が供給される必要があります。 MOSFET は 100 ボルトで動作するように設計されていますが、この電圧はゲートの駆動にも使用されるため、最大 20 ボルトしか使用できません (通常は 20 ボルトに制限されています)。電圧が 10 ボルトを下回るとゲートが完全に開かないため、この供給電圧の最小値は 10 ボルトです。この用途には、数種類の 10 ～ 20 ボルト DC モーターから選択できます。