インテリジェント位相制御テクノロジーは、ブラシレス モーターの効率を最大限に利用して、ブラシレス モーターのパフォーマンスを最適化します。
ブラシレス モーターは多くの用途で使用されており、家庭用掃除機から産業機械、データ センターのサーバー冷却ファンに至るまで、幅広い高速機器に電力を供給しています。
設計者が直面する大きな課題は、選択したモーターが確実に効率的に動作することを保証することです。これらの目標を達成するために、東芝は新しいインテリジェント位相制御モーター コントローラー シリーズを開発しました。
インテリジェント位相制御
エネルギー効率の向上と騒音の低減に対する高まる需要を満たすために、機器設計者はブラシレス モーターの制御にインバーターを採用する傾向が高まっています。従来の技術では、高い効率を得るためには、個々のモーターごとにモーター電圧とモーター電流の位相（進み角）を調整する必要がありました。
図1. リード角の図解
リード角とは、コイルに印加する電圧を進めるタイミングの角度です。
コイルに電圧をかけて電流が最大値まで増加するまでには、ある程度の時間がかかります。高速回転では、磁気駆動装置が最大電力に達する前に、ローターが次のターンオンポイントを通過する場合があります。この場合、ローター出力は最大になりません。この状況を回避し、駆動効率を向上させるために、ローターは計算された角度から特定の角度まで進められます。この進んだ角度をリード角と呼びます。ブラシレスモーターの特性、回転速度、負荷条件などにより進み角は変化します。
起動時のほぼゼロ回転/分 (rpm) から数千rpmの高速まで、広範囲の回転速度にわたって最適な効率を達成するには、位相調整のための多くの特性評価が必要であり、通常は限られた範囲で最適化できます。インテリジェント位相制御の利点は、ブラシレス モーターを均一な精度で高速かつ効率的に回転させるテクノロジであるインテリジェント位相制御にあります。
東芝のアプローチは、従来のモーター コントローラーとは明らかに異なるものです。従来の技術では、モーターの動作回転数範囲内の複数のポイントでモーターの電圧と電流の位相差を調整する必要がありました。東芝のインテリジェント位相制御技術は、モーターの電圧と電流の位相を自動的に調整することでこの必要性を排除し、開発をスピードアップし、初期化のみで動作回転数範囲全体にわたって可能な限り最高の効率を実現します。また、東芝のソリューションは、マイクロコントローラを使用せずにハードロジックによって柔軟な回転速度制御を実現し、追加の開発労力を節約します。
仕組み
ブラシレスモーターを正弦波で駆動すると、インピーダンスによる回転数の変化により電圧と電流の間に位相差が生じ、駆動効率が低下します。効率向上に必要な位相調整を行うため、インテリジェント位相制御は、電流位相（電流情報）と電圧位相（ホール効果信号）の関係を比較し、モーター電流制御信号にフィードバックして位相関係を自動的に調整し、効率を高めます。
インテリジェント位相制御は、モーターの電流位相を瞬時に検出し、自動リード角制御のための情報をフィードバックします。センサーベースのモーター アプリケーションでは、ホール信号の位相はモーターの駆動電流の位相と一致するように自動的に調整されます。モーターの回転数、負荷トルク、電源電圧に関係なく、高い効率を実現します。インテリジェント位相制御は、リード角調整に必要な外部部品の数を削減するのにも役立ちます。
従来のモーター制御技術で可能な限り最高の効率を達成するには、モーターの動作回転数範囲内のいくつかのポイントでモーターの電圧と電流の位相差を調整する必要があります。インテリジェント位相制御により、この要件がなくなり、設計者は初期化のみでモーターの電圧と電流の位相を自動的に調整し、動作rpm範囲全体にわたって可能な限り最高の効率を達成できるため、開発の作業負荷が軽減されます。
たとえば、3,000 rpmでは、インテリジェント位相制御により、従来の固定進角制御と比較して供給電流が約10% 削減されます。
最適化と効率
最適なモーター効率を実現するには、ホールセンサーによって提供されるローター位置情報に基づいて制御されますが、実際の機器でリード角を調整する必要があります。モーター コントローラー/ドライバーに自動リード角制御機能がある場合でも、モーターの定数 (rpmなど) に応じてリード角を調整する必要があります。これらの重大な制限を考慮すると、設計者の負担を軽減する改良された制御方法の必要性がここ数年で浮上してきました。
インテリジェント位相制御は、モーターの電流位相を迅速に検出し、その情報を自動リード角制御に即座にフィードバックすることで、この問題に対処します。モーター アプリケーションにセンサーが装備されている場合、ホール信号の位相はモーターの駆動電流の位相と一致するように自動的に調整されます。モーターの回転数、負荷トルク、電源電圧に関係なく、高い効率を実現します。インテリジェント位相制御により、リード角調整に必要な外部部品の数も削減され、モーターの動作状態の変化に関連するプログラミングが不要になります。
滑らかな電流波形を持つ正弦波駆動システムを使用すると、矩形波駆動システムのモーターに比べて騒音や振動が少なくなるという利点もあります。
要件バージョンと仕様
インテリジェント位相制御デバイスには複数のバージョンがあり、それぞれが特定の設計ニーズを満たすように開発されています。TC78B016FTGは、最大定格40V/3Aの完全統合型モーター制御ドライバです。このICは、6 ～ 36ボルトの範囲で動作する電源を必要とし、正弦波駆動を提供します。設計者は、標準で0.24オーム (ハイサイドとローサイドの合計) という低いオン抵抗も活用できます。これにより、動作中のデバイスの自己発熱が低減され、ICは一般に1.0 ～ 1.5 Aのアプリケーションをサポートできるようになります。速度は、単純なパルス幅変調 (PWM) 信号またはアナログ電圧入力によって制御されます。内蔵の保護機能には、サーマルシャットダウン、過電流保護、モーターロック検出が含まれます。この部品はコンパクトなVQFN32 5x5mm2パッケージで提供されます。
TC78B041FNGおよびTC78B042FTGは、ユーザーがアプリケーションの電力要件をカスタマイズし、設計に適切なゲート ドライバとMOSFETを使用できるようにする柔軟なコントローラ製品です。TC78B041FNGはSSOP30型パッケージを採用し、TC78B042FTGはVQFN32 5x5mm2パッケージを採用しています。
TC78B027FTGは、ユーザーがアプリケーションに適したMOSFETを選択できるゲート ドライバを備えたコントローラです。また、1ホール ドライブ システムも組み込まれているため、ユーザーはより安価な1センサー ブラシレス モーターを採用できます。このデバイスは、VQFN24 4x4mm2パッケージに収められています。
詳細については
東芝はモーター ドライバーの製造で35年以上の経験があり、さまざまなニーズに適したインテリジェント位相制御テクノロジーを備えたブラシレス モーター ドライブ コントローラーの広範なポートフォリオを提供しています。インテリジェント位相制御を組み込んだブラシレス モーターを使用する製品計画を評価するために、リファレンス デザインをダウンロードできます。
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