プルを理解する

バレンティン・ラシュケ | 2022 年 9 月 13 日

正確な位置決めとコスト効率の両方を提供する高性能モーターを指定する場合、ステッピング モーターはブラシレス テクノロジーのおかげで DC モーターに比べて多くの利点をもたらします。 ステッピング モーターの選択には多くの考慮事項が含まれますが、設計者は、駆動時のモーターの速度とトルク特性を表すプルアウト トルク曲線とプルイン トルク曲線を理解し、考慮する必要があります。 この記事では、ステッピング モーターをモーション システムに実装する際に考慮すべきプルアウト トルクとプルイン トルクの概念の概要を説明します。

以下の図 1 は、6 ステップ整流を備えた三相ブラシレス DC (BLDC) モーターによって生成されるトルクを示しています。 ホール センサーはモーターに統合されており、ローターの位置を追跡します。 この情報により、ロータとステータの磁界間の角度を 90°±30° に維持するために、適切な瞬間に 3 相を転流することができます。 小さな電流リップルがありますが、モーターによって発生するトルクは比較的安定しており、ローターの位置に多少依存します。 高分解能エンコーダは、より正確なローター位置フィードバックを提供し、トルクリップルをほぼゼロに減らすことができます。

図 1. BLDC モーターの位相とモータートルク。

以下の図 2 は、ステッピング モーターの単純なバージョンを示しています。つまり、ローターとして機能する 1 つの極対を備えた磁石と、ステーター内に配置された 2 つの別々の相を備えた磁石です。 この設計では、機械の 1 回転で 4 つの完全なステップが提供されます。 各相に連続電流が印加されたことを示すトルク曲線が図 3 に示されており、青とオレンジのグラフで表されています。 モーターが一度に 1 つの相のみを有効にしてフルステップで駆動される場合、電流は A、B、-A、および -B の順序で適用されます。

図 2. 1 つの極ペアを備えたステッピング モーター。

図 3a および 3b の下の緑色のグラフは、モーター シャフトに生じるトルクを示しています。 BLDC モーターとは異なり、ステッピング モーターのモーター トルクはローターの位置に大きく依存します。 コスト効率が高くシンプルな設計を実現するために、ステッピング モーターは通常、ローター位置のフィードバックなしで開ループ モードで駆動されます。 したがって、整流は、現在のロータ位置が確立されていない状態で、外部信号によって (1 秒あたりのステップ単位で) 発生します。 「理想的な」整流では、ローターが 2 つの相の間に正確に位置するときに、その相で電流が流れるようになります。 ただし、ローター位置のフィードバックがない開ループでは、ローターが常に理想的な位置にあるとは限りません。 ステッピング モーターのサイズを決定するとき、設計者はプルアウト トルクに安全係数を適用することで、この不確実性を考慮する必要があります。

図3a。 二相ステッピングモーターの「理想的な」整流。

図3b。 開ループでの 2 相ステッピング モーターの現実的な整流。

最大プルアウト トルクの定義方法をより深く理解するには、その測定方法を確認することが重要です。 通常、引き抜きトルクは次の条件で測定されます。

下の図 4 は、引き抜きトルクの測定セットアップを示しています。 モーターはドライバーに接続され、ドライバーはパルス信号を介してモーターの回転方向と速度を定義します。 モーターシャフトは渦電流ブレーキなどの可変ブレーキシステムに接続されており、これによりモーターに可変負荷を加えることができます。

図 4. 引き抜きトルクを測定するためのセットアップ。

測定は次のように実行されます。

図 5. プルアウトトルク曲線の例。

ステップ 3 で測定された各速度の最大負荷値は、上の図 5 に示すように、モーターのプルアウト トルク曲線を表します。共振により、特定の速度ではモーターの動作が不安定になる可能性があるため、回避する必要があります。 この状態は、引抜トルク線図で示すことができます。

実際には、プルアウト トルクは、開ループでモーターを安全に駆動するためのトルクと速度の範囲を定義するために使用されます。 最大負荷トルクについては、利用可能な最大引き抜きトルク (以下の図 6a および 6b の実線で示されています) と比較して、通常 30% の安全率が考慮されます (図 6a および 6b の青い点線で示されています)。青い線）。