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、その相で電流が可能になります。 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。 2 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下で測定されます。

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る) 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）。

さらに、プルアウト トルクは、モーターの最適な加速プロファイルを決定するために使用されます。 モーターは、図 6a の例で赤い十字で示されている動作点に達する必要があります。 モーターを必要な速度まで加速するには 2 つの方法があります。

図6a。 非線形加速 (オレンジ色で表示) の場合と、線形加速 (青で表示) の場合のモーターの加速に利用可能なプルアウト トルクの比較。

図6b。 線形加速 (青で表示) と比較した非線形加速 (オレンジで表示) の場合に、特定の速度まで加速するのに必要な時間。

プルイン トルクは、たとえば、以下の図 7 のセットアップを使用して測定できます。 モーターのシャフトにディスクが取り付けられており、コードが巻き付けられています。 コードの張力 F1 と F2 が測定され、その力の差によりモーターに負荷トルクが発生します。負荷トルクはディスクの直径に依存します。 結果としてモーターシャフトにかかる負荷は、負荷慣性が無視できる純粋な摩擦トルクで構成されます。 したがって、測定中に存在する唯一の慣性は、モーターのローター慣性です。 モーターはオープンループ モードでドライバーに接続され、測定全体は加速ランプなしで行われます。

図 7. プルイン トルクを測定するためのセットアップ。

測定は通常次のように行われます。

図 8. プルイントルク曲線の例。

ステップ 3 で取得された最大速度値は、上記の図 8 に示したプルイン トルク曲線を表します。通常、Portescap などのモーター サプライヤーは、負荷のないモーターのプルイン トルク曲線を提供し、1 つの特定のドライバーで測定します。 実際のアプリケーションでは、負荷の慣性も考慮する必要があります。これは、モーターシャフトに作用するこの追加の慣性により、モーターの利用可能なプルイントルクが減少するためです。 要約すると、ステッピング モーターのプルイン トルクに影響を与える要因は次のとおりです。

実際には、ステッピング モーターのサイジング時にプルイン トルクが使用される主な状況が 2 つあります。

ステッピング モーターを選択する場合、意図した用途で優れた性能と信頼性を確保するには、モーターのプルアウト トルク曲線とプルイン トルク曲線を理解することが重要です。 Portescap は、エンジニアリング サポートとともに、幅広い標準およびカスタム ステッピング モーターを提供します。

当社は、お客様の要件を最も満たし、トラブルのないパフォーマンスを保証する速度とトルク特性を備えたステッピング モーターの選択をお手伝いします。

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