トランジスタ技術別冊
「パワーMOS−FET実践大活用」

第12章 DCモータ制御回路への応用    

1個のパワーMOS−FETでDCモータを回してみる。


1個のパワーMOS−FETをDCモータに直列に接続することにより、DCモータを回すことができます。
DCモータをNチャンネルパワーMOS−FETのソース側に接続するか、ドレイン側に接続するかによりゲートドライブの方法とDCモータの負荷特性が異なります。

1、パワーMOS−FETによる電圧制御回路例
 (NチャンネルFETのソース側にモータ+側を接続)
パワーMOSFETのソースとDCモータの+端子が繋がります。
リニアドライブでのゲートドライブは電源グランドと同じコモングランドに 対し行なうので絶縁電源は必要ありません。
図1にパワーMOSFETによるリニアドライブ電圧制御回路例を示します。
    <図1>リニアドライブ電圧制御回路
       
一方、スイッチングドライブでのゲートドライブはパワーMOSFETのソースに対して行なうので回路のグランドと異なるためゲートドライブ用に絶縁電源が必要になります。
図2にパワーMOSFETによるスイッチングドライブ電圧制御回路例を示します。
    <図2>スイッチングドライブ電圧制御回路
    
ゲート電圧を3段階に変えた時のDCモータ負荷特性を図3に示します。
    <図3>電圧制御でのDCモータ負荷特性
     
ゲート電圧に比例して無負荷回転数と起動トルクが変わるため、高速、中速
、低速でのT−N特性は平行移動になります。


2、パワーMOS−FETによる電流制御回路例
 (NチャンネルFETのドレイン側にモータ−側を接続)
図4にパワーMOS−FETによる電流制御回路例を示します。
    <図4>電流制御回路
     
パワーMOS−FETのドレインとDCモータの−端子が繋がります。
パワーMOS−FETのソースは回路のグランドと共通なため、ゲートドライブに絶縁電源は必要ありません。
ゲート電圧を3段階に変えた時のDCモータ負荷特性を図5に示します。
    <図5>電流制御でのDCモータ負荷特性
     
ゲート電圧に比例して起動トルクが変わり、無負荷回転数は最高回転数のままで変わりません。

パワーMOS−FETによるDCモータ制御回路の長所と短所


(DCモータの速度制御においてはパワーMOS−FETによる電圧制御の方が制御し易いので以降はすべて電圧制御で回路設計をして行きます。)
パワーMOS−FETによるDCモータ制御方式にはリニアドライブとスイッチングドライブがありスイッチングドライブはPWM制御が主流になっています。
リニアドライブとスイッチングドライブには様々な長所と短所がありますので使用目的によりどちらかを選択する事になります。

1、 リニアドライブの長所
リニアドライブはスイッチングを行なわないのでノイズを発生しません。
従いまして、周辺の無線機器やマイコン機器にノイズによる悪影響を与えません。
また、モータコイルからの電磁音もありません。

2、リニアドライブの短所
リニアドライブはパワーMOS−FETを動作領域で駆動するため発熱が大きく、出力の大きいモータを回す時は十分な放熱設計が必要になります。

3、スイッチングドライブの長所
スイッチングドライブはパワーMOS−FETを飽和領域で駆動するため発熱が小さく、出力の大きいモータを回す時も放熱設計が楽になります。

4、スイッチングドライブの短所(1)
スイッチングドライブはスイッチングパルスの立ち上がり時と立ち下がり時に高周波スイッチングノイズが発生します。
スイッチングノイズを低減するためにドレイン−ソース間に抵抗器とコンデンサで出来たスナバ回路を挿入します。
図6にスナバ回路を示します。
  <図6>スナバ回路
  
スナバ回路は回路定数を大きくするほどノイズ低減効果が増しますが、FETの発熱も大きくなります。
図7にスナバ回路なしでのスイッチング電圧波形、図8にスナバ回路付のスイッチング電圧波形を示します。尚、図8のスナバ回路定数は抵抗器22Ω、コンデンサ0.01μF、スイッチング周波数20KHzになります。
  <図7>スナバ回路なし
     「別紙参照」
  <図8>スナバ回路あり
     「別紙参照」


5、スイッチングドライブでの短所(2)
スイッチングドライブはスイッチング周波数の影響でモータコイルから電磁音が発生します。
人間の可聴周波数範囲は100〜16KHz程度なので、電磁音が問題になる場合は、この周波数にならないようにスイッチング周波数を選びます。
周波数の低い回路は設計し易いのですが、50Hz以下ではモータに振動が現われるので不向きです。
実際は16K〜25KHzの高周波でスイッチングしています。


6、スイッチングドライブでの短所(3)
DCモータから発生する逆起電圧でFETが破損する恐れがあります。
FETを保護するためにFETとDCモータに並列に逆回復時間の速いフライホイールダイオードを取付ける必要があります。
  <図9>フライホイールダイオード
   
PWM周波数が高周波の20KHzでは300nsec以下の高速ダイオードを使
います。
但し、低圧のFETはFET内部の寄生ダイオードの逆回復時間が速ければフライホイールダイオードとして代用することができます。
寄生ダイオードの逆回復時間はドレインソース間電圧が高いほど長くなりますので、高圧回路では寄生ダイオードを使えなくなります。
FETの電圧と逆回復時間の関係を表1に示します。
  <表1>三菱電機(株)製FETの逆回復時間
型番 Vdss Id toff
FS50KM−03 30V 50A 123ns
FS50KM−06 60V 50A 175ns
FS50KM−2 100V 50A 180ns
FS50KM−3 150V 50A 560ns
表1よりFS50KM−3:Vdss150Vを使用するときは寄生ダイオードの逆回復時間が遅いため、外付けで300ns以下の高速ダイオードが必要になりま
す。
外付けの高速ダイオードの電流容量はFETの電流容量と同じ物を使用します。

回転数一定速の制御回路設計と負荷特性


1、 リニア制御によるDCタコゼネフィードバック制御例
<回路図1>


<部品表1>

Part Used PartType Designators
------------------------------------------------------------------------

1   2  0.01uF        C3 C4
2   3  0.1uF        C5 C9 C10
3   2  0.1uF/50V     C2 C6
4   1  0.4 10W       R12
5   1  1K          R14
6   1  1K 1/2W      R15
7   2  1M          R5 VR4
8   1  1S953        D1
9   1  2K          R3
10  1  2SC1815      TR1
11  1  3V/Krpm      TG
12  1  5A          FUSE
13  1  5M          VR3
14  6  10K POT      R2 R8 R9 R10 VR2
15  1  10uH 1A      L1
16  1  22K         R1
17  1  50M         R6
18  3  100K        R4 R7 R11
19  2  100uF       C7 C8
20  1  150         R13
21  1  200         VR5
22  1  500K        VR1
23  1  2200uF/50V    C1
24  1  DC24V       BATTERY
25  1  DC24V 40W    MOTOR
26  1  DIPSW       SW1
27  1  ESAC92M-02   D2
28  1  FS30KM-06    FET1
29  1  LF412       IC1
30  1  OEJ22WC1224  DD1
31  1  TLR123      LED1

(回路図中の抵抗器容量指定無しは1/4W,コンデンサ耐圧指定無しは25V)
回路構成は速度指令、速度帰還、速度アンプ、主回路、電流制限回路、主電源、制御電源からなります。


(1) 速度指令
+12V制御電圧をR3(2KΩ)とPOT(10KΩ)で分圧してDC
0〜10Vを作りVR2端子より速度指令電圧として入力します。POT
を使わずにVR1・VR2端子間に外部電圧DC0〜10Vを入力しても
かまいません。入力インピーダンスは100KΩになります。


(2) 速度帰還
DCタコゼネ(3V/Krpm)でDCモータの回転数を検出します。
速度指令電圧との偏差を速度アンプで増幅するため、速度帰還は負帰還と
します。従いましてDCタコゼネの+端子を回路のコモングランドに接続
し、DCタコゼネの−端子を速度アンプに入力します。
R2(10KΩ)とC3(0.01μF)はタコゼネのリップルを平滑す
るフィルタです。
VR1(500KΩ)は速度調整トリマでタコゼネのフィードバック量を
調節することでDCモータの速度調節を行ないます。


(3) 速度アンプ
オペアンプIC1(LF412)で比例制御(P動作)と積分制御(I動作)を行ないます。
オペアンプは高スルーレート、低オフセット、低温度ドリフトのものを使用しています。
オペアンプのゲインが高いため、オペアンプの入力側の部品は温度係数の特に優れたものを選びます。
比例制御は、

  比例ゲイン(highゲイン)=−R6(50MΩ)/R4(100KΩ)

                 =−500倍。
  比例ゲイン(lowゲイン:SW1=ON)=−{R7(100KΩ)+VR3(0〜5MΩ)}/R4(100KΩ)=−1〜−50倍。
積分制御はVR4(0〜1MΩ)とC4(0.01μF)の時定数で位相補償を行ないます。
初段オペアンプは反転入力のため次段オペアンプをゲイン−1倍にしてPWM回路に速度信号を入力します。
VR2(10KΩ)はオフセット調整トリマです。


(4) 主回路
FET1(FS30KM−06)によるDCモータの電圧制御回路です。
FET1の仕様を表2に示します。
<表2>FS30KM−06の仕様

型名 FS30KM−06
メーカ 三菱電機(株)
構造 MOS Nch
Vdss(V) 60V
Id(A) 30A
Pd(W) 25W
Cis(pF) 1250pF
toff(ns) 120ns
形状 TO−220FN
ゲート抵抗R11(100KΩ)よりアナログリニア電圧が入力されます。
FET側のフライホイールダイオードはFETの寄生ダイオードを代用しています。
モータ側のフライホイールダイオードはESAC92M−02(富士電機(株):200V,10A,35ns)を使用しています。


(5)電流制限回路
R12(0.4Ω)は電流検出抵抗でモータと直列に繋ぎます。
トランジスタTR1(2SC1815)がベース電圧Vbe約0.6VでONする性質を利用して、電流検出抵抗の両端の電圧(=電流検出抵抗値0.4Ω×DCモータ電流値)が0.6VになったときにFETのゲート電圧をグランドに落とします。
電流制限の幅はVR5(0〜200Ω)とR13(150Ω)の比で決まります。
  電流制限最小値CLmin=Vbe/R12=0.6V/0.4Ω
  =1.5A
  電流制限最大値CLmax=Vbe/{R12×(R13/(VR5
  +R13))}=0.6/{0.4×(150/(200+150))}
  =3.5A
R14(1KΩ)とC5(0.1μF)はDCモータの整流リップルを除去するフィルタです。


(6)主電源
バッテリDC24Vの入力回路です。
ヒューズは制御回路が故障したときにバッテリ等の電源側を保護するためにあります。
制御回路の保護ではありません。
ヒューズFUSE(5A)の特性はリップル吸収コンデンサC1(2200μF)の容量が大きいため電源投入時に突入電流が流れますのでタイムラグヒューズを選びます。
C2は高周波リップル除去用コンデンサ。R1は電解コンデンサの放電抵抗です。


(7)制御電源
DD1(OEJ22WC1224)はDC24V入力DC±12V出力のDC/DCコンバータです。
オペアンプの駆動用電源です。
L1はDC24Vラインに戻るDCモータのリップル電圧からDC/DCコンバータの入力回路を保護するチョークコイルフィルタです。市販のDC/DCコンバータはモータリップルに対する保護がされていませんので、チョークコイルなしで配線するとDC/DCコンバータが破損します。
LED1(TLR123)は制御電源がONしていることを確認する発光ダイオードです。

2、 PWM制御によるDCタコゼネフィードバック制御例
<回路図2>


<部品表2>

Part Used PartType Designators
------------------------------------------------------------------------

1   3  0.01uF      C3 C4 C6
2   4  0.1uF      C16 C17 C18 C19
3   5  0.1uF/50V   C2 C7 C8 C10 C11
4   1  0.033uF     C5
5   1  0.4 10W     R20
6   1  1.5K       R13
7   1  1K        R22
8   1  1K 1/2W     R23
9   2  1M        R5 VR4
10  1  1S953      D1
11  1  2K        R3
12  1  2SC1815    TR1
13  1  3V/Krpm    TG
14  1  5A        FUSE
15  1  5M        VR3
16  8  10K        POT R2 R8 R9 R10 R14 R17 VR2
17  1  10uF       C9
18  2  10uH 1A     L1 L2
19  1  22K        R1
20  1  47K        R12
21  1  50M        R6
22  3  100K       R4 R7 R11
23  4  100uF      C12 C13 C14 C15
24  1  150        R21
25  1  200        VR5
26  2  22 1/2W     R18 R19
27  1 500K        VR1
28  1  100 1W      R16
29  1  2200uF/50V   C1
30  1  680 1/2W    R15
31  1  DC24V      BATTERY
32 1  DC24V 40W   MOTOR
33  1  DIPSW      SW1
34  1  ESAC92M-02  D2
35  1  FS30KM-06   FET1
36  1  LF412      IC1
37  1  LM311      IC3
38  1  NE555      IC2
39 2  OEJ22WC1224  DD1 DD2
40  1  PC923      IC4
41  1  TLR123      LED1

(回路図中の抵抗器容量指定無しは1/4W,コンデンサ耐圧指定無しは25V)
回路構成は速度指令、速度帰還、速度アンプ、PWM回路、ゲートドライブ回路、主回路、電流制限回路、主電源、制御電源からなります。
この回路の試作基板は写真1になります。
<写真1>
「写真1参照」


(1) 速度指令
「リニア制御と同じ」


(2) 速度帰還
「リニア制御と同じ」


(3) 速度アンプ
「リニア制御と同じ」


(4) PWM回路
鋸歯状波発振器IC2(NE555)と電圧比較器IC3(LM311)で構成されます。
鋸歯状波の発振周波数はR13(1.5KΩ)とC5(0.033μF)の
時定数で決まります。ここでは20KHzに設定しています。


(5)ゲートドライブ回路
20KHzのスイッチング制御を行なうためにゲートドライブ回路をフォトカプラのIC4(PC923)で構成します。
FETのゲート・ソース間に±12V20KHzのパルスを入力します。


(6)主回路
FET1(FS30KM−06)によるDCモータの電圧制御回路です。
ゲート抵抗R16(100Ω)よりPWMパルス電圧が入力されます。
FET側のフライホイールダイオードはFETの寄生ダイオードを代用しています。
モータ側のフライホイールダイオードはESAC92M−02(富士電機(株):200V,10A,35ns)を使用しています。
R18・R19(22Ω)、C7・C8(0.01μF)はスナバ回路です。高周波スイッチングによるノイズを低減します。
FETのゲートソース間にR17(10KΩ)を入れることでFETのゲートがハイインピーダンスにならないため電源投入時の誤動作を防げます。


(7)電流制限回路
R20(0.4Ω)は電流検出抵抗でモータと直列に繋ぎます。
トランジスタTR2(2SC1815)がベース電圧Vbe約0.6VでONする性質を利用して、電流検出抵抗の両端の電圧(=電流検出抵抗値0.4Ω×DCモータ電流値)が0.6VになったときにFETのゲート電圧をグランドに落とします。
電流制限の幅はVR5(0〜200Ω)とR21(150Ω)の比で決まります。
  電流制限最小値CLmin=Vbe/R20=0.6V/0.4Ω
  =1.5A
  電流制限最大値CLmax=Vbe/{R20×(R21/(VR5
  +R21))}=0.6/{0.4×(150/(200+150))}
  =3.5A
R22(1KΩ)とC9(10μF)は20KHzPWM電流リップルを除去するフィルタです。


(8) 主電源
バッテリDC24Vの入力回路です。
ヒューズは制御回路が故障したときにバッテリ等の電源側を保護するためにあります。
制御回路の保護ではありません。
ヒューズFUSE(5A)の特性はリップル吸収コンデンサC1(2200μF)の容量が大きいため電源投入時に突入電流が流れますのでタイムラグヒューズを選びます。
C2は高周波リップル除去用コンデンサ。R1は電解コンデンサの放電抵抗です。


(9) 制御電源
DD1(OEJ22WC1224)はDC24V入力DC±12V出力のDC/DCコンバータです。
オペアンプの駆動用電源です。
L1はDC24Vラインに戻るDCモータのリップル電圧からDC/DCコンバータの入力回路を保護するチョークコイルフィルタです。市販のDC/DCコンバータはモータリップルに対する保護がされていませんので、チョークコイルなしで配線するとDC/DCコンバータが破損します。
LED1(TLR123)は制御電源がONしていることを確認する発光ダイオードです。
DD2(OEJ22WC1224)もDD1と同じDC24V入力DC±12V出力の絶縁型DC/DCコンバータです。
DD2はFETのゲートドライブ専用電源で±12V出力のグランドはFETのソースに繋がり、制御回路のコモングランドとは異なります。
FETの高速スイッチングを行なう際に−12Vの逆バイアスをかけてゲートに蓄積したキャリアを引抜くことでスイッチング損失を低減させます。

3、電流制限なしでの負荷特性曲線
リニア制御での負荷特性曲線とPWM制御での負荷特性曲線は同じになります。
図10に1000rpmの一定速制御の負荷特性を示します。
電流制限がないのでモータ起動トルクの1N・mまで制御できます。
DCモータの写真<写真2>
  「写真2参照」


DCモータの定格<表3>

定格電圧 DC24V
定格電流 2.7A
定格出力 40W
定格回転数 2500rpm
定格トルク 0.16N・m

  <図10>1000rpm負荷特性
  
このモータはDC24Vを印加したときに無負荷で3000rpm回転する
モータなので、トルク0N・mのときは出力電圧がDC8Vのときに1000rpmになります。
負荷トルクが0.35N・mまで増加したときは回転数を1000rpmに保つために出力電圧をDC16Vに上昇させます。
さらにトルクが0.7N・mまで増加すると出力電圧はDC24Vになります
が、さらにトルクが増えても電源電圧がDC24Vのため出力電圧もDC24
V以上には上がらず、フィードバック制御をしないDC24VでのDCモータ
負荷特性と一致して右下がりの直線になり、1N・mの起動トルクでDCモー
タは停止します。
このように電流制限回路なしでDCモータを駆動する際は負荷トルクの大きさによりDCモータは間欠定格になります。
間欠定格時間の目安を表4に示します。
   <表4>間欠定格時間

トルク 時間定格
定格 100% 連続
定格 200% 5分
拘束(起動トルク) 30秒
*  時間定格はDCモータ絶縁物の絶縁階級温度に達するまでの時間で、この時間を超えてもすぐにDCモータが焼損するわけではありません。

4、電流制限ありでの負荷特性曲線
リニア制御での負荷特性曲線とPWM制御での負荷特性曲線は同じになります。
図11に1000rpmの一定速制御の負荷特性を示します。
電流制限回路が電流2.7A,トルク0.16N・mのときに働いてモータ負荷特性は垂下特性になり定電流状態でDCモータは停止します。
DCモータの定格は<表2>と同じです。
  <図11>1000rpm負荷特性
    
定格トルク以上の過負荷ではDCモータは停止しています。
停止中は定格電流での定電流動作になりますのでDCモータが焼損することはありません。
負荷トルクが定格トルクより軽くなるとDCモータは自動的に回り始めます。
* 電流制限回路はFETとDCモータに流れる電流を制限しています。その
  ためDCモータ起動時の起動電流も制限されますのでDCモータの起動時
  間に遅れが出ることがあります。


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