BLDCモーター制御アルゴリズム
ブラシレスモーターはセルフコンバーター（自己方向変換）であるため、制御がより複雑になります。
BLDCモーター制御には、整流とステアリングのためのモーターのローター位置とメカニズムの理解が必要です。閉ループ速度制御の場合、2つの追加要件があります。すなわち、回転子速度および/またはモーター電流の測定と、モーター速度電力を制御するためのPWM信号です。
BLDCモーターは、アプリケーション要件に応じて、サイドアラインまたはセンターアラインのPWM信号を使用できます。ほとんどのアプリケーションは、速度変更操作のみを必要とし、6つの独立したサイドアラインPWM信号を使用します。これは最高の解像度を提供します。アプリケーションでサーバーのポジショニング、エネルギー消費のブレーキング、または電力の反転が必要な場合は、PWM信号の補助的な中央配置を使用することをお勧めします。
回転子の位置を感知するために、BLDCモーターはホール効果センサーを使用して絶対位置感知を提供します。これは、より多くの回線の使用とより高いコストにつながります。センサーレスBLDC制御はホールセンサーの必要性を排除しますが、モーターの逆起電力（起電力）を使用してローターの位置を予測します。センサーレス制御は、ファンやポンプなどの低コストの可変速アプリケーションに不可欠です。BLDCモーターを採用する場合、冷蔵庫とエアコンのコンプレッサーもセンサーレス制御が必要です。
デッドゾーンの挿入と補充
BLDCモーターの制御には、さまざまな制御アルゴリズムが使用されます。通常、パワートランジスタはリニアレギュレータとして使用され、モーター電圧を制御します。高出力モーターを駆動する場合、この方法は実用的ではありません。高出力モーターはPWM制御を使用する必要があり、始動および制御機能を提供するためにマイクロコントローラーを必要とします。
制御アルゴリズムは、次の3つの機能を提供する必要があります。
・モーター速度を制御するためのPWM電圧
・モーターの転流のメカニズム
・逆起電力またはホールセンサーを使用して回転子の位置を予測する方法
パルス幅変調は、可変電圧をモーター巻線に印加するためにのみ使用されます。実効電圧はPWMデューティサイクルに比例します。適切な整流が得られると、BLDCのトルクと速度の特性は、DCモーターの場合と同じになります。可変電圧を使用して、モーターの速度と可変トルクを制御できます。
パワートランジスタの転流により、固定子に適切な巻線が形成され、回転子の位置に基づいて最適なトルクが生成されます。BLDCモーターでは、MCUはローターの位置を認識し、適切なタイミングで整流できる必要があります。
BLDCモーターの台形整流
ブラシレスDCモーターの最も簡単な方法の1つは、いわゆる台形整流を使用することです。
図1：BLDCモーター用のラダーコントローラーの簡略ブロック図
この回路図では、モーター端子のペアを使用して電流を制御するたびに、3番目のモーター端子が常に電源から電気的に切断されています。
大型モーターに組み込まれた3つのホールデバイスは、デジタル信号を提供するために使用され、60度セクターのローター位置を測定し、モーターコントローラーにこの情報を提供します。両方の巻線の電流量は毎回等しく、3番目の巻線の電流はゼロであるため、この方法では、6方向のいずれかを使用した電流空間ベクトルしか生成できません。モーターが回転すると、モーター端子の電流が1回転あたり60度（整流転流）で1回切り替えられるため、電流空間ベクトルは常に90度の位相シフトで30度に最も近い位置にあります。
したがって、各巻線の電流波形は台形であり、ゼロから正の電流、ゼロ、そして負の電流へと続きます。
これにより、現在の空間ベクトルが作成され、ローターが回転するときに6つの異なる方向にステップアップすると、平衡回転に近づきます。
エアコンや霜などのモーターアプリケーションでは、ホールセンサーの使用が常に選択されるわけではありません。非結合巻線に誘導される逆起電力センサーを使用して、同じ結果を得ることができます。
このタイプの台形駆動システムは、制御回路が単純なため非常に一般的ですが、整流プロセス中にトルクリップルの問題が発生します。
BDLCモーターの正弦波整流
台形整流は、バランスの取れた正確なブラシレスDCモーター制御を提供するには不十分です。これは主に、3相ブラシレスモーター（通常の波の逆起電力を伴う）で生成されるトルクが次の方程式で定義されるためです。
正弦波整流ブラシレスモーターコントローラーは、3つのモーター巻線を駆動するように努めており、モーターの回転に伴ってその3方向電流が正弦波的に滑らかに変化します。これらの電流の相対位相は、安定した回転子電流空間ベクトルを生成し、方向が回転子に直交し、不変であるように選択されます。これにより、北形ステアリングに関連するトルクリップルとステアリングパルスが排除されます。
モーターの回転時にモーター電流の滑らかな正弦波変調を生成するには、回転子の位置を正確に測定する必要があります。ホールデバイスは、ローター位置の大まかな計算を提供するだけで、要件を満たすには不十分です。このため、エンコーダなどのデバイスからの角度フィードバックが必要です。
安定した一定の回転子電流空間ベクトルを生成するには巻線電流を組み合わせる必要があり、固定子巻線の各位置は120度離れているため、各ライングループの電流は正弦波であり、120度の位相シフトを持っている必要があります。エンコーダの位置情報は2つの正弦波を合成するために使用され、2つの正弦波間の位相シフトは120度です。次に、これらの信号にトルクコマンドが乗算されるため、正弦波の振幅は必要なトルクに比例します。その結果、2つの正弦波電流コマンドが適切に位相調整され、直交方向に回転する固定子電流空間ベクトルが生成されます。
正弦波電流コマンド信号は、2つの適切なモーター巻線の電流を変調する一対のPIコントローラーを出力します。3番目の回転子巻線の電流は、制御された巻線電流の負の合計であるため、個別に制御することはできません。各PIコントローラーの出力はPWM変調器に送信され、次に出力ブリッジと2つのモーター端子に送信されます。3番目のモーター端子に印加される電圧は、最初の2つのワイヤーグループに印加される信号の負の合計から得られ、120度離れた3つの正弦波電圧に適切に使用されます。
その結果、実際の出力電流波形は正弦波電流コマンド信号を正確に追跡し、結果として生じる電流空間ベクトルはスムーズに回転し、定量的に安定し、目的の方向に配置されます。
一般に、台形整流ステアリングは、安定した制御正弦整流ステアリング結果を達成できません。ただし、モーター速度が低い場合は効率が高いため、モーター速度が高い場合は分離します。これは速度の増加によるものであり、現在のリターンコントローラーは周波数の増加する正弦波信号を追跡する必要があります。同時に、速度の増加に伴って振幅と周波数が増加するため、モーターの逆起電力を克服する必要があります。
PIコントローラーのゲインと周波数応答は制限されているため、電流制御ループへの時間変動外乱により、モーター電流に位相遅れとゲインエラーが発生します。速度が高いほど、エラーは大きくなります。これは、ローターに対する現在の空間ベクトルの方向を乱し、直交方向の変位を引き起こします。
これが発生すると、一定量の電流によって生成されるトルクの量が少なくなるため、トルクを維持するためにより多くの電流が必要になり、効率が低下します。速度が上がるにつれて、この減少は続きます。ある程度、電流の位相シフトは90度を超えます。これが発生すると、トルクはゼロに減少します。正弦波の組み合わせにより、この時点での速度は負のトルクにつながるため、達成できません。
