コアレスDCモーターは、軽量、低慣性、高効率という特長から、幅広い業界で広く採用されています。コアレスDCモーターの速度制御には、性能を最適化し、スムーズな動作を確保するために、綿密に設計された制御システムが必要です。

この記事では、コアレスDCモーターの速度制御方法について解説し、一般的な制御技術に関するデータを提供することで、様々なアプリケーションに適した制御方法の理解を深めます。

DCモーターの速度制御の基本原理

コアレスDCモーターを効率的に動作させるには、モーターの速度、電圧、電流、負荷の関係を理解することが重要です。DCモーターの速度は通常、印加電圧に比例します。

DCモータ速度制御の基本原理

 

 

速度の管理に影響する要素は次のとおりです。

  • 供給電圧 (V): 電圧を上げるとモーターの回転速度は上がり、電圧を下げると回転速度は下がります。
  • 負荷トルク (T): 負荷が重いとモーターの回転速度は低下し、負荷が軽いとモーターの回転速度は上がります。
  • 抵抗 (R): 回路内の抵抗は、内部抵抗でも外部抵抗でも、電流の流れに影響を与え、モーターの速度に影響を与えます。
  • 逆起電力 (E): モーターが回転すると、入力電圧に逆らう逆起電力 (EMF) が発生し、全体の速度が低下します。

コアレスDCモーターの速度制御について

コアレスDCモーターの動作の基本的な考え方は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することです。モーターの速度は負荷に反比例し、印加電圧に直接関連します。したがって、モーターの速度を制御するには、供給電圧を調整するか、システム内の電流の流れを管理する必要があります。

コアレスDCモーターの速度に影響を与える主な要因は次のとおりです。

  • 供給電圧 (V): 電圧を上げるとモーターの回転速度は上がり、電圧を下げると回転速度は下がります。
  • 負荷トルク (T): 負荷が重いとモーターの回転速度は低下し、負荷が軽いとモーターの回転速度は上がります。
  • 抵抗 (R): 回路内の抵抗は、内部抵抗でも外部抵抗でも、電流の流れに影響を与え、モーターの速度に影響を与えます。
  • 逆起電力 (E): モーターが回転すると、入力電圧に逆らう逆起電力 (EMF) が発生し、全体の速度が低下します。

コアレス DC モーターの速度を制御する式は次のとおりです。

コアレスDCモーターの速度を支配する方程式

どこ：

  • n = モータ回転速度 (RPM)
  • V = 印加電圧 (V)
  • E = 逆起電力 (V)
  • k = モータ定数
  • T = 負荷トルク (Nm)
  • C = トルク定数 (Nm/A)

これらのパラメータを制御することで、モーターの速度を効果的に制御できます。

コアレスDCモーターの速度制御方法

コアレスDCモーターの速度制御にはいくつかの方法があり、それぞれに利点と限界があります。最も一般的な手法を確認してみましょう。

電圧制御（リニア制御）

電圧制御では、供給電圧を変化させることでモーターの速度を調整します。これは速度制御としてはシンプルな方法ですが、精度が低く、高出力アプリケーションでは効率が低くなります。


Pros


Cons

  • Simple implementation and low cost.

  • Limited efficiency, significant power losses, and poor speed regulation under varying loads.

コアレスDCモータの速度制御方法

どこ：

  • Vは供給電圧です。
  • 逆起電力はモーターの回転時に発生する電圧です。
  • Rはモーターの抵抗です。

電圧制御方式のデータ:

電圧 (V) 回転速度 (RPM) 効率 (%)
6 1,500 85
9 2,300 88
12 3,000 90
15 3,750 92
18 4,500 93

 

上の表に示すように、電圧を上げるとモーターの速度は比例して上昇しますが、モーターが最大定格速度に達すると、この方法の効率には限界があります。

b. パルス幅変調（PWM）

パルス幅変調（PWM）は、コアレスDCモーターの速度制御において、より効率的で高精度な方法です。PWMは、一定の電圧を供給するのではなく、オン時間の長さ（デューティサイクル）を調整しながら、モーターのオン/オフを高速に切り替えます。この変調信号は、モーターの平均電圧を効率的に制御し、結果として速度を制御します。

デューティサイクルは、供給される平均電圧を決定し、次のように計算されます。

パルス幅変調（PWM）

どこ：

  • Vavg = 平均電圧
  • Vin = 入力電圧
  • D = デューティサイクル（%）

例えば、入力電圧が12Vでデューティサイクルが50%の場合、モーターに供給される平均電圧は6Vです。


Pros


Cons

  • Highly efficient

  • Offers smooth speed control

  • Reduced heat generation

  • Requires more complex electronics

  • May introduce noise into the system

PWM制御方式のデータ：

デューティ比 (%) 平均電圧 (V) 回転速度 (RPM)
20 2.4 1,000
40 4.8 2,000
60 7.2 3,000
80 9.6 4,000
100 12 5,000

表に示すように、デューティサイクルを上げると平均電圧が上昇し、モーターの速度もそれに比例して上昇します。

c. 電流制御

電流制御は、コアレスDCモーターの速度を調整するもう1つの方法です。この方法では、モーターに供給される電流を制御し、トルクと速度に直接影響を与えます。この技術は、ロボットや医療機器など、トルク管理と速度制御が必要な業界で広く使用されています。


Pros


Cons

  • Provides control over both speed and torque

  • Suitable for applications with variable loads

  • Complex circuitry required

  • Less efficient compared to PWM

電流制御法に関するデータ：

電流 (A) 回転速度 (RPM) トルク (Nm)
0.5 1,000 0.1
1.0 2,000 0.2
1.5 3,000 0.3
2.0 4,000 0.4
2.5 5,000 0.5

 

3. 速度フィードバックシステム

より高度な用途では、コアレスDCモーターはフィードバックシステムと組み合わせて閉ループ速度制御を実現することがよくあります。一般的な方法は、モーターの速度をリアルタイムで監視し、入力パラメータを調整して所望の速度を維持するエンコーダを使用することです。

a. エンコーダを用いた閉ループ制御

  • エンコーダ：モーターの位置または速度を検出するセンサーです。エンコーダからのフィードバックはコントローラに送られ、コントローラは入力電圧または電流を調整してモーターを所定の速度で回転させます。

フィードバックループは、特に負荷や入力電圧が変動する状況において、速度の一貫性を維持するために不可欠です。

b. 比例・積分・微分（PID）制御

閉ループシステムでは、モーターの速度性能を向上させるために、一般的にPID制御器が用いられます。PID制御器は、目標速度と実際の速度（誤差）の偏差に応じて、リアルタイムで調整を行い、モーターの速度を変化させます。

  • 比例（P）：現在の誤差を修正します
  • 積分（I）：過去の誤差を時間経過に沿って合計することで修正します
  • 微分（D）：変化率に基づいて将来の誤差を予測します

コアレスDCモーターのPID制御データ:

時間 (s) 設定速度 (RPM) 実際の速度 (RPM) 誤差 (RPM)
0 3,000 2,800 200
1 3,000 2,900 100
2 3,000 3,000 0
3 3,000 3,000 0

 

表に示すように、PIDコントローラは誤差を徐々に低減し、2秒以内に目的の速度に到達します。

速度制御方式の比較概要

制御方式 複雑さ 効率 コスト 応用例
電圧制御 低い 中程度 低い 単純なアプリケーション、低精度機器
PWM制御 中程度 高い 中程度 ロボット、ドローン、自動車、精密機器
電流制御 高い 低い 高い トルク重視の用途、ロボット
PID＋エンコーダ 非常に高い 非常に高い 高い 高精度機器、医療機器

 

結論

コアレスDCモーターの速度制御には、用途、電力要件、制御精度に基づいて適切な方法を選択する必要があります。正確な速度制御と応答性が重要なアプリケーションにおいて、Gian Transimissionは最も信頼性の高いソリューションを提供します。