1960 年代の開発の成功以来、ブラシレス直流 (BLDC) モーターは、以前のブラシ付き直流 (DC) モーターよりも効率が高く、寿命が長いことが証明されています。高出力産業用途で同期交流 (AC) モーターへの移行に伴い、他の多くの用途でも BLDC モーターが使用され始めています。
現在、BLDC モーターは消費者の日常生活のあらゆる側面に浸透しています。これらは、ドリルやブロワーなどのバッテリー駆動の工具、洗濯機やプリンターなどの家庭用電化製品、さらには電動自転車や自動車にも使用されています。産業環境では、BLDC モーターはモーション コントロールやマテリアル ハンドリングのアプリケーションに使用されています。 BLDC モーターは、無人地上車両 (UGV)、ドローン、および同様の無人航空機 (UAV)、さらには手術ロボットや補助外骨格にも電力を供給します。
ブラシ付き DC モーターは金属またはカーボン整流子ブラシを使用してモーター巻線に電気エネルギーを供給しますが、BLDC モーターは非接触です。摩擦や磨耗がないため、効率が向上し、メンテナンスの必要性が減り、モーターの寿命が長くなります。 BLDC のパフォーマンスも優れており、速度が速く、トルクが大きく、出力重量比が高くなります。高度な制御システムの助けにより、BLDC モーターは速度やトルクをほぼ瞬時に変更し、正確な位置決めを提供して安全性を確保します。
高度な BLDC モーター ドライバーによって実証される卓越したパフォーマンスにより、これらのモーターとその制御システムは、一般に小型化、高速、高精度、高安全性、低メンテナンス要件などの機能を必要とする最新のロボットやドローンのアプリケーションを設計するエンジニアにとって非常に魅力的なものとなっています。
BLDCモーターの基本原理
BLDC モーターは、信じられないほどシンプルな 3 つの部分から成る構造です。固定ステータには 2 ～ 8 セットの銅巻線が装備されており、永久磁石を備えたロータに囲まれるか、ロータと平行に円周上に配置されます (図 1)。モーター コントローラーはステーターに接続され、位置データを取得し、巻線に電力を供給します。
三相BLDCモーター用コントローラー
図 1: 三相 BLDC モーター コントローラーは、固定子巻線 (U、V、W 相) の通電状態と電流極性を切り替えることで、固定子磁界の方向を変更します。それに合わせて永久磁石を内蔵したローター（青い部分）が回転し、ステーターの磁界と同じ方向を保ちます。 （画像出典：Qorvo）
ステーター内の一連の巻線に電気を流すと磁界が発生し、ローターの永久磁石がこの磁界に応答します。反対の磁極間の引力によりローターが回転します。ローターをステーターの磁場と位置合わせする前に、コントローラーは通電された巻線を切り替え、磁場の方向を変え、ローターの連続回転を維持します。
実際、コントローラーからステーターに送信される電流パルスは、導通から切断に変化し、特定の周波数で極性を切り替えて、特定の波形を使用して電流を表します。図 1 に示すスイッチング方式は台形波で表されています。永久磁石同期モーター (PMSM) などの他のタイプのモーターは正弦波を持っています。このタイプのモーターは構造的に BLDC モーターと似ていますが、さまざまな電流によって磁場を駆動して回転させ、ローターは磁場と同期してロックされたままになります。これらの波の振幅と位相を調整すると、モーターの速度と利用可能なトルクを変更できます。
コントローラーは、ホール効果センサーや光電エンコーダーなどの位置センサーから継続的なフィードバック情報を受け取ることもできます。センサーレス BLDC モーターでは、逆起電力 (BEMF) (通電されていない巻線内の通電された巻線によって生成される磁界によって生成される電流) の測定値を使用して、ローターの位置を決定できます。
モータードライバーの開発
BLDC モーターの監視、電源供給、制御には複雑な構造が必要であることを考えると、産業環境でソリッドステート電子デバイスを使用する昔ながらの BLDC モーター コントローラーが独立したキャビネット スペースと、モーターを接続するためのかさばる電源ケーブルとデータ ケーブルを必要とすることは驚くべきことではありません。ますます高度化する集積回路 (IC) により、モーター コントローラーの継続的な小型化が推進され、ついにはプリント回路基板 (PCB) に統合できるようになりました。今日のモーターコントローラーは、小型化を実現しながらも高機能化が進んでいます。
たとえば、Qorvo の ACT72350 三相 BLDC モーター ドライバー (図 2)。このドライバは、構成可能なアナログ フロントエンド (AFE)、さまざまな電源構成に適合する電源管理モジュール、および専用モータ ドライバ (ASPD) を 9 mm x 9 mm 正方形のフラット ノー リード (QFN) 表面実装デバイスに統合します。
Qorvo ACT72350 統合三相 BLDC モーター ドライバー
図 2: ACT72350 統合型三相 BLDC モータ ドライバは、AFE 回路と構成可能な電源管理機能をコンパクトな表面実装パッケージに統合しています。 （画像出典：Qorvo）
ACT72350 の構成可能な AFE には、3 つの差動プログラマブル ゲイン アンプ、4 つのシングルエンド プログラマブル ゲイン アンプ、2 つの 10 ビット アナログ/デジタル コンバータ、および 10 個のコンパレータが装備されており、センサーと制御回路を接続するブリッジとして機能します。この AFE は、シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) を介して外部マイクロコントローラ (MCU) からパルス幅変調 (PWM) 制御信号を受信することもできます。
構成可能な電源管理モジュールにより、ACT72350 は、最大 20 秒間のバッテリ容量 (フル充電時の公称電圧 72 V または 84 V) を含め、25 V ～ 160 V の範囲の DC 入力電圧を受け入れることができます。このモジュールの高電圧スイッチング電源は、安定した 12V または 15V の出力電圧を提供でき、ACT72350 モジュールおよび MCU に安定した 5V、200mA の電源も提供できます。
ACT72350 の ASPD は、ハーフブリッジ、H ブリッジ、または三相アーキテクチャを使用してモーターを駆動できます (図 3)。電圧 160 V の高圧側ゲート ドライバー 3 つと電圧 20 V の低圧側ゲート ドライバー 3 つで、各ドライバーは 2 A (引き込み電流)/2 A (流し込み電流) のゲート駆動能力を備えており、高速スイッチング性能を実現してモーター速度を向上させることができます。