コラム:パルス出力ステージ(PWM)とチョークコイル

高出力用コントローラは通常、パルス出力ステージで設計します。モータに適用する電圧は 非常に高速にスイッチングされ、一般にクロック周波数は、2または3のレベル間で(通常 +VCC、0、-VCC)、20 – 60 kHzです。モータの機械的時定数が比較的大きいため、平均電圧だけが有効です。この平均値は、ON/OFFのデューティーを変化させることによって調整します(パルス幅変調PWM)。パルス幅変調の主なメリットは、損失とそれによるトランジスタ内の出力ステージでの放熱を最小に抑えられることです。トランジスタは、オープンかクローズになります。コントローラは追加冷却を必要とせず、小型形状を維持することができます。

図 9.3: 2-レベルのPWM

図 9.3: 2-レベルのPWM  
a) 電圧と電流のカーブ 電流と電圧の平均は破線で表示
b) 追加チョークコイルの使用により電流リップルを減少

マクソンコアレスモータのような低インダクタンスのモータは、電気的時定数が低く、電流は非常に高速に反応します。大電流スパイクが、PWMの1周期内で発生する可能性があり、その結果発生する高い実効電流値がモータを加熱します。モータを保護するため、追加インダクタンスとして、電流スパイクを減衰させるチョークコイルをモータと直列に接続する必要があります。発生するモータトルクは電流の平均値に比例するため、モータの挙動は変わりません。追加インダクタンスのメリットは電流コントローラの安定性を改善することです。
したがって、ほとんどのマクソンコントローラは追加インダクタンスを不要にするため、内蔵のモータチョークコイルを備えています。これは、マクソンモータを他のパルスコントローラや自製のパルスコントローラで使用する場合には、必ずしも必要ではありません。
2-レベルのPWM周期内の最大電流振幅ΔImaxの近似式は、 

    ΔImax=Vcc/(2・fPWM・(LMot+Ladd))
となります。

電流リップル振幅を減少できる対策としては、
― 可能な場合、供給電圧VCCの減少
― PWMクロック周波数fPWMの増加(少なくとも20kHz、50kHz以上ならさらに良)
― 10kHz以下のクロック周波数は推奨されません。
― 高インダクタンスの巻線の選定、またはモータと直列にチョークコイルLaddを追加し、インダクタンスを増加

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