ステッピングモーターのバイポーラドライブとユニポーラドライブ: 比較

ステッピング モーターは、「相」と呼ばれる接続されたコイルで構成されるブラシレス DC モーターの一種です。 これらの電気機械デバイスは通常、フィードバック センサーなしで開ループで駆動され、ローターの位置を知ることなく各相に電流が適用されます。 ロータは、各相を流れる電流によって生成されるステータの磁束によって位置調整されます。 各パルスで電流を次のフェーズに供給することができ、増分的な回転運動またはステップが可能になります。

コイルに電流を供給するには、バイポーラとユニポーラの 2 つの方法があります。 この記事では、バイポーラモーターとユニポーラモーターの違い、駆動方法、利点と制限について説明します。

図 1 は、4 ステップの永久磁石ステッピング モーターを示しています。 回転子は 1 極対の磁石で作られ、固定子は A 相と B 相の 2 相で構成されます。ユニポーラ方式では、電流は常に同じ方向に流れます。 各コイルは 1 つの電流方向専用であるため、コイル A+ または A- のいずれかに電力が供給されます。 A+ または A- コイルには一緒に電力が供給されることはありません。 バイポーラ方式では、すべてのコイルに両方向に電流を流すことができます。 相 A+ と A- は一緒に電力供給されます。 バイポーラ モーターには各相に最低 1 つのコイルが必要で、ユニポーラ モーターには各相に最低 2 つのコイルが必要です。 ここでは、両方のオプションについて詳しく説明します。

ユニポーラ構成では、モーターの各相は 2 つのコイル巻線で構成されます。 図 2 に示すように、A 相と B 相で構成される 2 相モーターの場合、モーターには 4 つのコイル巻線があります。

フェーズ A は A+、A- で構成されます

フェーズ B は B+、B- で構成されます

各コイルの電流は単一方向にのみ流れることができるため、ユニポーラになります。 電圧駆動では、コイルごとにスイッチまたはトランジスタが 1 つだけで制御システムが簡単になります。 トランジスタが閉じると、コイルに電力が供給されます。 モーターを転流するには、トランジスタが交互に閉じたり開いたりします。

図 3 では、トランジスタ Q1 と Q2 を同時に閉じることはできません。 A相に電力を供給するには、必要な電流の方向に応じて、トランジスタQ1またはQ2のいずれかを閉じる必要があります。 ユニポーラ制御では、一度に位相の半分だけが電力を供給されるため、電流は銅の体積の半分だけを使用します。 電圧駆動では、通常、電気時定数を減らすために直列抵抗が適用されます。 このシナリオについては、この記事の後半で説明します。

バイポーラ モーターでは、相ごとに 1 つのコイル巻線のみが必要で、電流はコイルごとに両方向に流れることができます。 図 4 に示すように、バイポーラ モーターを制御するには、2 つの H ブリッジを備えた 8 つのトランジスタが必要です。

図 5 では、トランジスタが交互に閉じたり開いたりして転流を行っています。 バイポーラ ドライブには、位相ごとにすべての銅を使用できるという利点があります。 これらのバイポーラ ドライブは、モーターの電圧駆動または電流源のいずれかで使用されます。 電流源の場合、各相の電流はパルス幅変調 (PWM) で制御されます。 PWM には 2 つの技術が使用されます。低速減衰または高速減衰です。これは、PWM の「オフ」時間中にモーター位相を通じて電流がゆっくりと減少するか急速に減少するかに応じて異なります。

電圧駆動。 4 つのトランジスタを備えたシンプルな回路により、コスト効率の高いユニポーラ制御が実現します。 バイポーラ モーターの電圧駆動には 2 つの H ブリッジ (8 つのトランジスタ) が必要です。

現在のドライブ。 ユニポーラ技術ではモータ性能を低下させるためにより複雑な電子機器が必要となるため、電流ドライブにはバイポーラ モードが推奨されます。

電圧駆動に関する注意事項。 インダクタンス効果により、コイル内の電流が上昇するまでに時間がかかります。 ユニポーラまたはバイポーラ ドライブの場合、直列抵抗を追加して電気時定数 (L/R) を減らすことができます。 外部抵抗を追加すると、電流は減少します (i = U/(R+r))。

要約すると、同じ供給電力に対して抵抗を追加すると、低速でのトルクが低下します。 外部抵抗で消費されるジュール電力により、電流は低くなります。 トルクは電流に比例するため、モーターが供給するトルクは小さくなります。 高速ではより高いトルクが得られます。 たとえジュール電力の一部が外部抵抗で消費されたとしても、電気時定数が低いため、モーターはより多くのトルクを供給できます。 これにより、コイル内の電流がより速く上昇します。 (注: 供給電圧が増加すると、低い電流を補うことはできますが、全体的なエネルギー効率は低下します。トルクは高速では向上し、低速では維持されます。)

保持トルクはモーターが保持できる最大トルクです。 保持トルクは、トルク定数と相の電流に比例します。

T 保持 max = k * i

どこ

Tholdingmaxは保持トルク(Nm)です。

k はトルク定数 (Nm/A)

i は相の電流 (A)

コイルの巻き数を増やしたり、流す電流を増やすことで、より高いトルクを発生させることができます。 電流が増加すると、ジュール損失の散逸 (P ジュール = R * i 2) により余分な熱が発生します。 電流供給はコイルの熱能力によって制限されます。 コイル温度は通常、コイルの最大許容温度に達する可能性があります。モーターの種類に応じて、通常は 100 °C または 150 °C です。

1 相オンを考慮して、両方の組み合わせでのジュール損失を見てみましょう (下の図 6)。

個々のコイルにはそれぞれ独自の抵抗、インダクタンス、トルク定数があることを考慮し、ジュール損失が両方の場合で同じである場合、P joule bi = P joule uni = P 0 となります。

同じジュール損失が散逸される場合、バイポーラ モーターはユニポーラ ドライブよりも √2 (約 40%) 多くのトルクを生成できます。 また、同じ電力の場合、バイポーラ ドライブの方がユニポーラ ドライブよりも優れた結果が得られます。

前述のデモンストレーションは、同じ電力が消費される場合、バイポーラ モーターが 40% 多いトルクを供給できることを示しています。 ただし、電圧駆動の高速時には、ユニポーラ モータの方がコイルに電流を速く流すことができるため、バイポーラ モータよりも高いトルクを供給できます。 図 7 に例を示します。

バイポーラ モーターには通常 4 本のワイヤがありますが、中間点が接続されていない場合、ユニポーラ モータには 8 本のワイヤがあります (図 8)。

ユニポーラ モーターのワイヤが 8 本の場合、半相を接続することでバイポーラ バージョンに変換できます。 コイルは直列または並列に接続できます。 どちらのオプションも同じモーター レギュレーション (R/k2) と、同じ電力に対する同じトルク性能を備えています。

直列アセンブリの抵抗は並列アセンブリの 4 倍になります。 直列接続には、並列接続の 2 倍の電流と半分の電圧が必要です。 シリアルまたはパラレル接続は電源に適合します。

図 10 の表は、ユニポーラ アセンブリとバイポーラ アセンブリの利点を示しています。 以前はユニポーラ制御が一般的でしたが、現在の駆動ではコスト改善のおかげでバイポーラ制御がより普及しています。 電圧駆動の場合、ユニポーラ制御は依然としてコスト効率の高いオプションです。

この記事は、ペンシルバニア州ウェストチェスターの Portescap でアプリケーション エンジニアを務める Clemence Muron によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine 2021 年 8 月号に初めて掲載されました。

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