モーターのトルクは、モーターのコイルを流れる電流によって決まります。したがって、このトルクを制御する一般的な論理的な方法は、トルクを直接監視して電流調整を実行することです。この方法は電流モード制御と呼ばれます。電圧モード制御と呼ばれるモーターを駆動する別の方法があります。
電流モードと電圧モード
その場合、電流は監視されませんが、目的の目標電流に到達するためにモーターに印加する必要がある電圧が計算されます。この記事では、両方の方法の利点と欠点を紹介します。STMicroelectronics社のステッピング モーター ドライバーpowerSTEP01は、市場で唯一のドライバーであり、両方の方法を使用するようにプログラムできます。
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モーターの設計では、モーターの電気的仕様は、図1に示すように、インダクタンス、抵抗、および逆起電力として表すことができます。双方向ステッピング モーターにはデュアルHブリッジがあり、各Hブリッジには90度の位相差で同じ信号が適用されます。したがって、ここでは1つのHブリッジのみに焦点を当てます。
図1
電流モード制御では、Hブリッジの下部にある シャント抵抗器 によって電流が監視され (図2を参照)、シャント抵抗器の両端の電圧が ADC に接続されます。
図2
この電圧に基づいて、図3にまとめられているように、さまざまなアクションがトリガーされます。電圧が特定のしきい値を超えると、減衰が発生します。電流をゆっくり減少させる必要がある場合は、ブリッジの低圧側 (または高圧側) で電流を再循環させることによって、緩やかな減衰が実行されます。コイルに負の電圧を印加すると、急速減衰が急速に減少します。しばらくすると、電流が増加する必要があり、モーターに正の電圧が印加されます。新しい値がプログラムされるまで、電流は目標値の周りで変動します。
図3
電流モード制御ソリューション
次に、電流モード制御で次の問題を解決する必要があります。
- 同じサイクルで低速減衰と高速減衰をプログラムする必要があります。
- 減衰タイミングのアルゴリズム。BEMFは速度に応じて変化するため、減衰タイミングも変化する必要があります。さらに、マイクロステップではステップ値が異なるため、マイクロステップごとに異なるタイミングが必要になります。タイミングが最適化されていても、電流にノイズがあり、正確な位置決めができません。
- タイミングが変化すると周波数が変化し、オーディオノイズが低下する可能性があります。もちろん、多くのアプリケーションではそれは受け入れられません。
- シャント抵抗器の要件。高電流の場合、シャント抵抗器は大きくて高価になります。
電圧モード制御ソリューション
電圧モード制御はこれらの問題を解決します。前述のように、モーターは固定値のインダクタンスと抵抗、およびモーターの速度に依存する逆起電力で構成されています。モーターの速度に応じて、システムは抵抗回路（低速時）または誘導回路（高速時）として動作します。Iph_targetターゲット電流がある場合、適用する電圧は次の式で計算されます。
ここで、Keはモーターの電気定数 (V/Hz)、felは電気周波数 (Hz) です。
このモードでは、固定周波数PWMによって電圧が適用されます (ほとんどのシステムでは、20 kHzの周波数で十分であるため、常にオーディオ周波数より高くなります)。その結果、混合気の減衰を処理する必要がなくなり、システムはよりスムーズな操作、より正確な位置決め、失速検出、低速でのより優れたトルク制御を実現します。残念ながら、どのステッピング モーターもさまざまな速度で共振を起こし、システム ダンパーが十分に高くない場合、電圧モード制御は弱点を示します。実際、電流が監視されていないため、振動が発生すると、BEMFを予測できなくなります。設計上、周波数と電圧の値は適応できず、電流位相はBEMFの不安定な動きに追従し、制御不能なトルクが生じて停止状態に陥る可能性があります。
図4は、これら2つのモード間の運転の違いを視覚化したものです。Hブリッジの電圧出力は青と緑で表示され、モーターの電流は茶色で表示されます。電流モード制御では、青と緑が連動すると、電流を調整するために低速減衰のみを使用する電圧モードとは異なり、低速減衰と高速減衰が混在します。
図4
結論として、要件に応じて、電圧モード制御または電流モード制御で十分です。低速では電圧モード制御の方が有利ですが、高速の場合、またはモーターが共振段階を経る必要がある場合は、電流モードの方が適しています。STMicroelectronicsのpowerSTEP01は、両方のモードでステッピング モーターを駆動するようにプログラム可能で、多目的プラットフォームの設計を可能にします。