モータドライバ博士のQ&A

PWM駆動による定電流動作について

「モータドライバ博士のQ&A」では、よくあるお問い合わせを元に、ロボット製作者、エンジニアのみなさんに役に立つ技術解説を発信していきます。回答するのは、ローム株式会社モータドライバ開発課の藤井さん。名古屋工業大学電子工学科卒業後、ローム株式会社へ入社し、これまで数々の開発に取り組んできたモータードライバ一筋のエンジニアです。
第4回は、PWM駆動による定電流動作について回答します!

質問:PWM駆動でモータの定電流動作ができるようですが、これはどのような動作になりますか?

回答:一例ですが、出力トランジスタのGND側にモータに流れる電流検出のため小抵抗を入れます。この抵抗端の電圧と基準電圧を比較し、抵抗端の電圧が基準電圧を超えると、出力トランジスタのうちハイ側がオンしている出力をオフします。モータの電流は出力をオフした時点から、電流を流し続けようとしますが、ゆるやかに減少していきます。そして、一定時間後に再び前記の出力でハイ側をオンします。すると、モータ電流が増加し、抵抗端電圧が基準電圧に達するので、ハイ側がオフします。このような動作を繰り返し、基準電圧を電流検出用抵抗で割った値の電流値を頂点とする三角波の電流が流れます。ハイ側オフの時間を十分小さく設定すると、ほぼ一定の電流を流す動作が可能になります。

Fig-1 PWM駆動による定電流動作回路例

Fig-1 PWM駆動による定電流動作回路例

PWM駆動により定電流動作を行う回路例をFig-1に示します。
パワーTrのGND側(RNF)には電流検出用の抵抗Rsを付けます。この電圧と基準電圧設定端子(Vref)とを比較するコンパレータによりRNF電圧がVref電圧を超えるとコンパレータ出力がローになり電流を供給している電源側のパワーTrをオフします(または、電源側のパワーTrをオフして、オフしていたGND側のパワーTrをオンしてもよい)。
そして、この例では発振器(OSC)の周波数をカウントして任意のオフ時間(toff)を設定しています。このオフ時間の間電流を回生させます。オフ時間後はオフした電源側のパワーTrを再度オンし電流を供給させます。オフ時間をモータの持つ電気的時定数に対して十分小さくすることによりVref電圧/Rs値をピーク電流(Ipeak)とする定電流制御でモータを回すことができます。定電流駆動は一定のトルクでモータを回すことになります。

Fig-2 PWM駆動による定電流動作波形

Fig-2 PWM駆動による定電流動作波形

PWM駆動による定電流動作波形をFig-2に示します。回生電流が流れている間はRsに電流が流れないため電流供給再開時にはRsでの電流変化が大きくなります。寄生のインダクタ成分により大きい電圧ノイズが発生したり、パワーTrの持つ寄生容量を充電する電流が流れVref電圧を超える場合があります。これらの電圧ノイズでオフ動作しないように短時間のピーク電流は無視し反応しない時間(tblnk)を設ける必要があります。これはモータの回転状態の切り替え時にも電圧ノイズで誤動作しないように必要です。時間設定の他にノイズ自体をフィルタで除去する方法もあります。

  • 電流供給時(a)電流供給時
  • 電流回生時1(b)電流回生時1
  • 電流回生時2(c)電流回生時2

Fig-3 PWM動作 電流供給 電流回生 回路例図

PWM動作でのモータの電流供給時と電流回生時の電流経路の説明のために例をFig-3に示します。
この図の例では、電流供給時はQ1とQ4をオンして電源にモータを接続しています。また、電流回生時は、(b)の電流回生1ではQ1オフ、Q2オンさせ、Q4はオンのままでモータ端子間をショートしたことと同じにします。(c)の電流回生2ではQ1、Q2ともオフさせ、Q4はオンのままで、Q2の寄生ダイオードを通じてモータ電流が一巡します。

藤井さん

ローム株式会社モータアプリケーションエンジニアグループ所属。名古屋工業大学電子工学科卒業後、ローム株式会社へ入社。これまで数々の開発に取り組み、モータードライバ一筋のエンジニアです。

http://www.rohm.co.jp/web/japan/

電子工作マニュアル Vol.4