DC モーター可変速度制御: その仕組みとアプライアンスの設計で何を指定するか

モーターエンジニアリング — アプライアンスの設計

DC モーターの可変速度: 設計者と購入者のための作業ガイド

可変速度 DC モーターは、モーター、ドライバー、熱設計が 1 つのシステムとして指定されている場合、より広い速度範囲、より静かな低速動作、より優れた部分負荷効率を実現します。

レンジフード メーカーは、新しいキッチン ライン用の 120 V DC モーターをテストしています。この概要では、3 つの抽出速度、厳格な低速ノイズ制限、フィルターの負荷が高まっても速度を維持するコントローラーが必要です。別の研究室では、空気冷却器のメーカーが、夜間の運転時に過熱することなく定格速度の 3 分の 1 まで低下できるモーターを求めています。

両チームは同じ質問をしています。DC モーターの可変速度は実際にどのように機能するのか、最初のサンプルが出荷される前の仕様には何が含まれているのか、ということです。答えを簡単に言うと、速度は電圧に従い、トルクは電流に従い、その 2 つがどれだけしっかりと保持されるかはコントローラーが決定するということです。効率、騒音、耐用年数はすべて、これら 3 つがどの程度適切に適合するかによって決まります。

DC モーターの速度を可変にするもの

永久磁石 DC モーターでは、速度は電機子に印加される電圧に比例し、トルクは電機子電流に比例します。平均電圧を下げるとモーターが遅くなります。上げると、モーターは定格速度に向かって上昇します。このほぼ線形の動作が、DC モーターが可変速機器の自然なベースである理由です。回路には同期するための回転磁界も周波数インバーターもありません。

写真には後半があります。負荷がかかると、実際のモーターは巻線抵抗やブラシ付き設計の場合はブラシ損失により、わずかに速度が低下します。電圧レベルを設定するだけの開ループ コントローラーでは、その垂下を修正できません。ファンや送風機の場合、数パーセントのドリフトが目に見えないため、開ループ動作は許容されます。最小限の風量を維持する必要があるレンジフードや、濡れたパッドに空気を送り込む空気冷却器の場合、閉ループ制御は追加のコストを支払う価値があります。

モーターサプライヤーとのあらゆる会話を構成する 3 つの用語:

• 速度範囲 — 使用可能な最低速度と定格速度の比率。多くの場合、5:1 または 20:1 と表現されます。レシオを広くするには、低速での安定性を考慮して設計されたドライバーが必要です。
• デューティサイクル - モーターが最低速度で継続的に動作するか、それとも短い間隔でのみ動作するか。これにより熱設計が決まります。
• 規制 — 固定設定での無負荷から全負荷までの速度低下をパーセンテージで表します。閉ループ システムは、開ループ システムよりもはるかに低いレギュレーションを示します。

DC モーターの速度を制御する主な方法

本番アプライアンスでは 3 つの制御方法が使用されます。それらは、コスト、効率、騒音、トルクの動作が異なります。

リニア電圧制御

可変抵抗器またはリニア レギュレータは、アーマチュアに見られる電圧を下げます。コンセプトはシンプルで安価ですが、廃棄されたエネルギーは機器内で熱となり、速度が低下すると効率が低下します。これは超低コストのファンに適しており、何時間も動作する製品はめったにありません。

パルス幅変調

パルス幅変調は、固定周波数 (通常は 8 kHz ～ 25 kHz) で電源を完全にオン/オフに切り替え、デューティ サイクルを変化させます。スイッチング デバイスが完全にオンまたは完全にオフになっている間は、モーターの平均電圧が低下するため、ドライバーの損失は小さいままです。 PWM は、効率と広い制御可能範囲を兼ね備えているため、現在、ブラシレス DC モーターを含む DC モーターの可変速度の標準的な方法となっています。

閉ループフィードバック制御

閉ループ制御では、ホール センサー、エンコーダー、または逆起電力検出回路などの速度センサーが追加されるため、ドライバーは実際の速度と指令された値を比較し、リアルタイムで PWM を調整します。インペラに負荷がかかったり、フィルターが詰まったり、供給電圧が低下したりしても、モーターは速度を維持します。ブラシレス DC モーターはとにかくこの電子整流に依存しているため、広い速度帯域にわたって平坦なトルク曲線が得られます。

ほとんどのアプライアンスでは、閉ループ フィードバックを備えた PWM ドライバーにより、動作とコストの最適なバランスが得られます。モーターとドライバーを 1 つの適合するセットとして 1 つのサプライヤーから注文することで、ノイズ、コギング、早期故障の原因となる不一致を回避できます。

DC 可変速と AC 可変速

AC 誘導モーターも可変速で動作できますが、ハードウェアはより重くなります。単相コンデンサ駆動モーターには位相制御が必要です。三相モーターには可変周波数ドライブが必要です。どちらの場合も、モーターが特別に設計されていない限り、低速ではトルクが低下します。また、古典的な単相設計では、定格速度をはるかに下回って動作させるとハムやコグが発生する傾向があります。

トレードオフは絶対的なものではありません。 AC モーターは、固定速度および高出力アプリケーションにとって依然として強力な選択肢です。しかし、概要で X と Y の間の任意の速度、静かな低速走行、および厳しいエネルギー予算が要求される場合、DC 可変速度が実用的なエンジニアリングの答えになります。

可変速 DC モーターを指定する前に確認すること

データシートはフィールドの動作ではなく、定常状態の動作をキャプチャします。以下のチェックにより、生産中に正常に動作するモーターと、最初の数か月後に故障したモーターが区別されます。

1. 自己冷却による最低連続速度。 独自のファンで冷却されるモーターは、空気流量が低下すると高温になります。仕様に最低速度を記載し、実際のインペラを取り付けてその時点でテストします。
2. ドライバーの互換性。 PWM 周波数、電流制限、およびソフトスタート動作はモーターと一致する必要があります。さまざまなソースからのコンポーネントを混合することは、小型家電製品の可変速障害の最も一般的な原因です。
3. 作動点でのトルク。 定格速度で良好に始動するモーターでも、3 分の 1 の速度ではトルクが小さすぎる可能性があります。設計を凍結する前に、インペラの負荷曲線とモーターのトルク曲線を比較してください。
4. あらゆる速度ステップでノイズが発生します。 電磁ノイズはPWMの周波数と速度によって変化します。製品にノイズ制限がある場合は、実験用電源ではなく、生産コントローラーを使用して測定してください。
5. 制御モードでの認証。 CE、UL、CQC、またはその他のマークは、速度制御モードと意図されたデューティ サイクルをカバーする場合にのみ意味を持ちます。証明書だけでなく、テストレポートも求めてください。

DC モーターの可変速度は、単一のコンポーネントで決定されるものではありません。モーター、PWM ドライバー、および最低速度での熱挙動は 1 つのシステムとして機能するため、仕様ではそれらをそのように扱う必要があります。最初に速度範囲を定義し、実際のインペラに対してトルクを検証し、同じサプライヤーからのコントローラーを選択して、実際のデューティ サイクルでテストします。この規律こそが、紙の上では有望なモーターを現場で信頼できる製品に変えるのです。