小型電気モーターは、私たちが日常的に使用するあらゆるものに使用されています。コーヒーを挽いたり、家やオフィスの空気を循環させたり、子どものおもちゃを動かしたり、ロボットのように床を掃除したり。
モーターに応じて、モーターのオン/オフ、速度とトルクの調整、高い効率と信頼性の実現に適したモーター制御ドライバー (MCD) が必要になります。
設計要件とコストの考慮に応じて、低電力設計の場合は、3種類のモーターの中から選択する可能性が最も高くなります。
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ブラシ付きDC（BDC） ブラシレスDC（BLDC） ステッピングまたはステッパー
ブラシ付き（BDC）モーター。
ブラシ付きDCモーターは、3種類のモーターの中で最も単純なもので、学校で初めて習うモーターです。これらのモーターは、ローターまたはアーマチュアに巻線があり、ステーターに永久磁石または界磁巻線があるため、回転中に巻線の極性を変更してトルクが一方向に連続的に発生するように整流子とブラシが必要です。これらのモーターは製造と制御が比較的簡単なため、一般的に安価であり、おもちゃやその他のコスト重視の用途で使用されることが多いですが、電動ブラインドやロックなどの家電製品にも使用されています。
BDCの制御は比較的簡単で、モーターに適用される平均電圧を変えると速度が変わります。Hブリッジとマイクロコントローラを使用して実現できますが、ドライバICの選択には多少の考慮が必要になる場合があります。
これは、 東芝 の TB67H450FNG、ELの広い動作電圧範囲によって簡素化されます。動作電圧は4.5 Vから44 Vまでで、オフィスオートメーション (OA) 機器、銀行端末、ロボット掃除機、電子錠、小型ロボットなどのバッテリー駆動製品を含む家電製品、および5 V USB電源を使用するデバイスなど、大電流 (3.5 A未満) のデバイスに対応します。このドライバはスタンバイ時にわずか1 μAしか消費せず、小型の8ピンHSOP8表面実装パッケージで提供されます。
TB67H450FNGに関するビデオをご覧ください。
動作電圧は低くても電流を大きくする必要がある場合は、 TC78H653FTG,EL デュアルHブリッジ ドライバICをお勧めします。このICは、1.8 V ～ 7.5 Vの動作電圧範囲と2つの電流モード (2つのチャネルで2.5 A DCピークの小電流モードと、結合されたチャネルで5.0 A DCピークの大電流モード) を備えています。オン抵抗が低いということは、モーターに流れる電流が多くなり、トルクが大きくなることを意味します。プロジェクトに3.6 Vリチウムイオン電池を使用するポータブル デバイス、またはガス ストーブ アクチュエータ、スマート メーター、電子ロックなどの家電製品、または2つの1.5 V乾電池を使用するその他のアプリケーションが含まれる場合、このドライバの特性の組み合わせにより、このタイプのアプリケーションに最適です。
最大16 Vの動作電圧に対応するデュアル チャネルBDCドライバが必要な場合、同社の最新世代DMOSプロセスに基づく新しいTC78H660FTG Hブリッジ モーター ドライバICは、2 A (最大) のPWM制御電流を供給できます。エネルギー効率の高い動作をサポートし、スタンバイ モードでは0.1µAという超低電流要件を実現します。このICは、PCBの使用率を最小限に抑え、コンパクトな3mm x 3mm QFN16パッケージで提供されます。TC78H660FNGは、TSSOP16パッケージの同じドライバICのバリエーションです。
東芝 BDCモーター用のデバイスをさらに提供しており、その一部は一般的なブラシ付きモーター ドライバーとピン互換性があるため、エンジニアは変化する市場要件に応じて設計を最小限またはまったく変更せずに部品を交換できます。
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ブラシレスDC（BLDC）モーター
BLDCモーターはブラシ付きモーターよりも機械的に単純で、通常はローターに永久磁石、ステーターに巻線が配置されています。BLDCは、ノイズが多く、火花が発生しやすく、トルクを制限する機械的整流を排除しながら、より高いトルクと速度を実現します。ただし、小型ファンから産業機器のサーボ機構に至るまでのさまざまなアプリケーションで期待される高い効率を達成するには、正確な制御が必要です。
コイルを流れる電流の極性と大きさの制御、およびローターとの同期は、ホール効果センサーで磁石の位置を測定するか、センサーレスBLDCで逆起電力 (Back-EMF) ゼロクロスを検出し、この情報をモーター ドライバーを通じてフィードバックすることで実現されます。ただし、最適な効率特性を実現するには、回転速度範囲でモータ電圧とモータ電流の位相差を繰り返し調整する必要があります。しかし、高速ドライブでは高周波でのインダクタンスにより電流が遅れる傾向があります。
東芝 独自のインテリジェント位相制御技術により、BLDCモーターの制御がよりシンプルかつ正確になります。ホール信号からモータ電流の位相とモータ電圧の位相を比較し、その結果をモータ電流制御にフィードバックします。モーター電圧とモーター電流の位相差の調整は、初期設定を行うだけで、広範囲のモーター速度にわたって自動的に行われます。これにより、設計プロセスにおける開発負担が大幅に軽減されます。
東芝 は、この技術を使用した4つの新しい3相BLDCモーター制御ソリューションを提供しています。SSOP30パッケージに収められたコントローラー部品 TC78B041FNG、EL とVQFN32パッケージに収められた TC78B042FTG 、完全に統合されたドライバー TC78B025FTG、およびゲート ドライバーを統合したコントローラー TC78B027FTG です。これらのモーター制御装置は、滑らかな電流波形を実現する正弦波駆動システムを使用して、ファン、空気清浄機、ポンプ、産業機器などの用途の高速モーターの騒音と振動を低減します。
TC78B025FTG および TC78B027FTG には、動的な電力変動や負荷変動時にモーターの回転速度を調整および維持する閉ループ速度制御機能も搭載されています。これは、サーバー ファンやその他の冷却アプリケーションなどのミッション クリティカルなアプリケーションにとって貴重な機能です。速度プロファイルの正確な設定は内蔵の不揮発性メモリ (NVM) によって行われるため、閉ループ速度制御用の外部MCUは不要になります。
東芝 は、プロジェクトでセンサーレスBLDCを使用してモーターのコストを削減できる場合、センサーレス操作用のモーター制御デバイスも提供しています。TC78B009FTG は、PWMデューティサイクルを変更することでモーターの速度を制御する3相パルス幅変調(PWM)チョッパドライバです。電源定格は最大30 Vで、120°、135° 、142.5° でのオーバーラップ整流、選択可能なソフト スイッチング、調整可能な起動設定、過電流保護、サーマル シャットダウン、低電圧ロックアウトを提供します。統合ゲートドライバ部品のおかげで、 TC78B009FTG は設計者にアプリケーションに適したパワーステージMOSFETのサイズを柔軟に選択できる機能を提供します。TC78B009FTG には、MCUがリアルタイムで調整できるようにする統合モーター電流モニターも含まれています。さらに、モーター コントローラには、統合された不揮発性メモリ (NVM) を備えた閉ループ速度制御機能が備わっており、外部MCUなしで動作できます。
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ステッピング モーター
検討できる3番目のタイプのモーターは、ステッピング モーターです。デスクトップ プリンター、3Dプリンター、セキュリティ カメラ、カメラ レンズ、医療用スキャナー、インテリジェント照明、CNCフライス盤など、高精度の角度動作を必要とする設計に使用されます。
ステッピング モーターは、入力パルスのパルス幅、デューティ サイクル、または周期を制御することによって管理されます。ステッピング モーター制御の課題は、モーターまたは電子機器が焼損する可能性があるため、失速を回避することです。過負荷または急速な速度変更中に同期が失われると、ドライバーがまだ全力で伝導している間にモーターが失速します。これには、突然の大きなトルクの変化を防ぐために十分な電流マージンを確保する必要があります。ただし、この設定では、効率が低下し、発熱が増加するというトレードオフが発生します。
センサーとマイクロコントローラを追加してトルクと電流フィードバックをリアルタイムで監視し、電流調整を実装することで、このトレードオフを回避し、追加電流を削減できますが、これにより設計の複雑さとコストが増加します。
東芝 アクティブゲインコントロール（AGC）テクノロジーは、必要なトルクに応じてモーター電流を自動的に最適化することでこの問題を解決します。これにより、モーターの停止が防止され、最適な制御が提供され、最高の効率と最小限の発熱が実現します。
AGCの詳細についてはビデオをご覧ください。
東芝の TB67S128FTG、EL 従来の32マイクロステップに対して、非常に滑らかな128マイクロステップ (1/4サイクルあたり) 駆動を提供するバイポーラ ステッピング モーター ドライバーは、AGCテクノロジを活用しています。50 V / 5 A定格により、3Dプリンター、監視カメラ、ATM、オフィスオートメーション機器などのアプリケーションに高出力ドライブを提供します。
さらに、 TB67S128FTG 用途 東芝 従来の混合減衰モードよりも効果的かつ迅速に誘導モーター電流を放電する、高度なダイナミック混合減衰 (ADMD) テクノロジー。ADMDは、一般的に低速のステッピング モーターを、ステップを欠落させることなく限界まで伸ばすことができます。この部品は、外部電流検出抵抗器なしで電流制限を検出する 東芝 Advanced Current Detect System (ACDS) テクノロジも活用しており、スペース、部品点数、部品表 (BOM) コストを削減します。
2個の1.5 V乾電池または1個の3.6 Vリチウムイオン電池で駆動し、より低い動作電圧を必要とするアプリケーションの場合、 TC78H670FTG は理想的なソリューションです。2.5Vから16Vまで動作し、定格は最大2A (ピーク) です。東芝の高度電流検出システム (ACDS) テクノロジーと小型の3mm x 3mm QFNパッケージを採用し、基板スペースとコストを大幅に削減します。パッケージサイズは前世代に比べて44%縮小されました。わずか0.1µAという超低スタンバイ電流により、会計用プリンターなどのスペースが限られたバッテリー駆動のアプリケーションに最適です。
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