ステッパ・モーター・システムは開ループの位置制御システムです。システム・コントローラおよびモーター・ドライバ IC は、印加される負荷トルクの大きさに関する情報も、ステップ損失を生じさせない最適な動作電流の大きさに関する情報も持っていません。ドライバは、負荷トルクの要求を知ることができないため、モーターは通常、最大負荷トルクを維持できる固定フルスケール電流で駆動されます。しかし、負荷が軽いのに大きな動作電流を使うことは、余計な I2R 損失の原因になるため、不必要です。大きなコイル電流は、全体システム効率の低下以外に、モーターの発熱による熱の問題を引き起こし、ひいてはモーターの耐久性を低下させ、寿命を縮めます。
今回、テキサス・インスツルメンツは DRV8462、DRV8452、DRV8461 ステッパ・モーター・ドライバを発表しました。これらのドライバは、自動トルク・アルゴリズムを含む複数の新しい機能を備えています。自動トルク機能により、負荷トルクに応じてステッパ・コイル電流を自動的に調整することで、システムの効率が向上します。自動トルク機能は外部センサを一切必要としません。代わりに、モーターに供給される電力を監視することで、負荷トルクに対して線形的に変化する内部信号を生成し、高速検出を可能にしています。このアプリケーション・レポートでは、自動トルク・アルゴリズムの利点と、効果を最大化するための調整方法について説明します。
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ステッパ・モーターは、位置を監視するための外部センサをまったく使わなくても、入力の励起の変化を出力の精密な位置変化に容易に変換できるため、広く使われています。位置と速度の精密な制御を実現するため、ステッパ・コイルの電流は安定化されています。
モーターのトルクの式は#GUID-C09FE73C-450F-4584-9B59-DA94353A0543 で与えられます。モーターのトルクは、次のようにコイル電流とモーターの構造で決まります。
ここで、τmax はサポートされている最大トルク、KT はモーターのトルク定数、I はコイル電流です。
#GUID-C09FE73C-450F-4584-9B59-DA94353A0543 は、コイル電流 I が生成できるトルクの大きさと解釈できます。与えられた負荷トルクを維持するには、モーター・ドライバは常に、要求トルクよりも大きいトルクを生成できるコイル電流で動作させる必要があります。
従来型のモーター・ドライバでは、ピーク負荷トルク要求に基づいてフルスケール動作電流が設定されます。これにより、ピーク負荷が要求されたときに、モーターがステップを失うことはありません。そのため、負荷トルクに関係なく、電流は一定です。この結果、負荷トルクがピーク負荷より低い場合、#GUID-E4388219-6E10-4102-A74E-BF5AE6071508 に示すように、ドライバとモーターは抵抗性電源損失として入力電力の一部を消費します。
ほとんどのシステムでは、ピーク負荷トルクの要求が発生することはごくまれです。たとえば、ATM 機械では、ステッパ・モーターがピーク負荷を供給するのは稼働時間全体の 15% 未満かもしれません。しかし、標準的なステッパ・ドライバは、最終的に常時モーターにフルスケール電流を供給するため、不要な電力損失、システム・サイズの増大化、部品の寿命短縮によりシステム効率は低下します。
DRV8462、DRV8452、DRV8461 モーター・ドライバに実装された自動トルク・アルゴリズムは、負荷トルクに応じて出力電流を動的に変化させることで、システム効率を向上させます。負荷トルクが低い場合、抵抗性損失を低減するために出力電流は低くなり、負荷トルクが高くなると、出力電流は急激に増加してモーターのステップ損失を防止します。この概念を、#GUID-F7DF536A-AA6A-470A-A165-6C387D7F9AD6 に示します。自動トルクにより効率が向上した結果、システムは低温で動作するため、部品の寿命が長くなります。自動トルク機能により、より安価で小型サイズのステッパ・モーターを利用することも可能です。
ステッパ・モーター・システムでは、電源から供給される合計電力は負荷のトルク要件のために供給されます。また、モーターの巻線抵抗やドライバのオン抵抗による抵抗損失などの電力損失に使用されます。これは、#GUID-428433BA-FAC8-4389-B11B-BB412F0FEE2F によって示されます:
ここで、τ は負荷トルク、ω はモーター速度です。
#GUID-428433BA-FAC8-4389-B11B-BB412F0FEE2F から、負荷トルクが増加すると、電源から供給される電力も増加することがわかります。自動トルク・アルゴリズムは、電源から供給される電力を監視して、負荷トルクに関する情報を取得します。一定の損失は、ATQ_LRN パラメータで表され、ATQ_CNT パラメータは負荷トルクをサポートするために必要な電力を表します (GUID-C9787AA8-70D0-4E26-A422-8AD35CD3A767.html を参照)。
このセクションでは、モーターのパラメータとモーターの動作条件を自動トルク・アルゴリズムが学習する手順を説明します。
GUID-9FE07139-6245-4441-B06C-7BCDE860D116.html で説明したように、ATQ_LRN パラメータはシステムの固定損失で決まります。任意のモーターについて、ATQ_LRN はコイル電流に直接比例します。これは、#GUID-03A54B9C-DFBC-4979-9E8A-6A170E3494B7 で表すことができます。
ここで、IM はモーター電流、VVM はドライバへの電源電圧、k は定数です。#GUID-03A54B9C-DFBC-4979-9E8A-6A170E3494B7 に、ATQ_LRN とモーター電流の間の線形関係を示します。自動トルク学習ルーチンは、無負荷時に任意の 2 つの電流で ATQ_LRN の値を学習し、この関係を使用して他の電流での ATQ_LRN の値を補間します。
ATQ_CNT パラメータは、負荷トルクをサポートする、供給される電力の成分を表します。この関係は、#GUID-7C3019DC-8678-46F3-A02C-F6AAD8265640 で表すことができます。
ここで、k1 は特定の動作条件における定数で、IFS はステッパ・ドライバのフルスケール電流 (正弦波電流の波形のピーク) です。
#GUID-7C3019DC-8678-46F3-A02C-F6AAD8265640 に、自動トルク・アルゴリズムの基本的な動作原理を定義します。ATQ_CNT パラメータを使用すると、ステッパ・モーターに印加される負荷トルクに基づいて、モーター・コイルの電流レギュレーションを実行できます。
#GUID-639785F8-BA7E-40F3-8982-F515D7B45346 に、(ATQ_LRN + ATQ_CNT) を示します。これは、2.8A 定格のハイブリッド・バイポーラ NEMA 24 ステッパ・モーターの 2.5A フルスケール電流での負荷トルクの関数として測定されたものです。ATQ_LRN は負荷トルクに応じて変化しませんが、ATQ_CNT は負荷トルクに応じて線形的に変化します。