APDahlen Applications Engineer
フライバックダイオードと、高慣性負荷に機械的に結合されたDCモータを構成に含めることで、Hブリッジに関する知識をさらに深めることができます。このモデルは、MOSFETスイッチの選択やプログラミング技術にも役立ちます。
Ｈブリッジとは何ですか？
4つの半導体スイッチを使用するHブリッジは、DCブラシ付きモータや単相DC/ACインバータの制御によく使用されます。マイクロコントローラで適切に制御された場合、HブリッジはDCモータの速度と方向の両方を制御することができます。インバータでは、Hブリッジは正弦波信号を生成することができます。
Hブリッジモータコントローラは、従来、モータを中央に配置した4つのスイッチとして表現されています。これらのスイッチは、図1ではS1からS4として示されています。モータ（M1）はブリッジの中央に配置されています。この構成は、モータを水平部材とし、各垂直アームにスイッチを配置したH字形を連想させます。
図1： MultisimLiveを使用して作成されたHブリッジの電気機械モデル
Hブリッジの基本動作
基本的なレベルでは、Hブリッジは図1において2つのスイッチを同時に作動させることで制御されます。例えば、S1とS4を作動させると、モータに正の極性が加わり、時計回りに回転します。一方、S2とS3を作動させると、モータに逆の極性が加わり、反時計回りに回転します。
このコンプリメンタリスイッチモデルは有用で真実味がありますが、不十分です。モータの電気機械的な動特性を考慮していません。例えば、モータの巻線にはインダクタンスがあります。スイッチがオフにされると、これが電圧スパイクの原因となります。ダイオードD1からD4は、このフライバック電圧を吸収させて、半導体スイッチを保護するために必要です。同様に、モータには図1のフライホイールで表されるような運動エネルギーがあります。これは驚くほど大きな運動エネルギー源であり、S1～S4の誤操作によって大きな電流スパイクが発生する可能性があるため、対応する必要があります。これにより半導体が損傷する可能性があります。また、モータが予期せず減速することで機械部品が損傷する可能性もあります。
この技術概要の目的は、関連する電流に焦点を当てて、システムの動的な性質を明らかにすることです。これにより、半導体スイッチの要件とソフトウェア制御プログラムのより深い理解につながります。
この記事は、以下に列挙する記事を含むより大きなシリーズの一部です。最初の2つの記事は、MOSFETで一般的に構成されるブリッジアームを紹介するもので、特に重要です。図1では、MOSFETと関連するドライバをスイッチに置き換えることにより大幅に簡略化された2つのブリッジアームが示されてます。しかし、ボディダイオードD1～D4はそのまま残されています。ボディダイオードは、Hブリッジの動作に重大な影響を及ぼしますが、見落とされることが多いからです。
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Arduino PWMによるHブリッジモータドライバ（開発中）
DCモータのモデル
次に、Hブリッジの理解を深めるために、DCモータのモデルを検証します。このモデルは、図2に示すように、 Crouzetの24V DCモータ89890911（永久磁石付き）を基にしています。このモデルには、電機子抵抗、電機子インダクタンス、およびモータの回転速度に比例する逆起電力の3つの要素があります。
図2： CrouzetのDCモータ89890911の電気モデル
技術的なヒント： 静止状態のモータでは、逆起電力はゼロです。 図2のモータに24V DCを直接印加すると、起動電流は電機子抵抗により約35Aに制限されます。 このオームの法則による計算は、モータのデータシートに反映されています。 モータの逆起電力は速度が上がるにつれて増加することを思い出してください。 その結果、運転電流は起動電流よりも大幅に少なくなります。無負荷回転では、逆起電力は電源電圧とほぼ等しくなります。
これに関して、モータ/フライホイールの構造体が全速回転で、逆起電力が約24V DCだったと仮定します。電源を切断し、モータの端子をショートさせると、約35Aの電流スパイクが発生します。これはブレーキとして働き、モータを素早く停止させます。
最悪のケースを想定して、モータが全速力で回転している状態を考えてみましょう。ここで素早く極性を反転させます。すると、直流24Vの電源と直流24Vの逆起電力の2つの電圧が0.7Ωの電機子抵抗に印加されます。これにより、モータが急ブレーキをかけ、方向を反転する際に約70Aの電流スパイクが発生します。
Hブリッジは、この技術的なヒントで説明されている動作をすべて実行できることに注目してください。プログラマーは、半導体スイッチを保護するために積極的な措置を講じる必要があります。
モータのシミュレーション
図3に、典型的なDCモータの応答を示します。時間目盛りの1秒でモータがオンになります。起動電流は、図1に示されているように、0.75Ωの電流制限抵抗と直列に接続された0.7Ωの電機子抵抗を介して、約16Aに制限されます。モータがフライホイールを回転させるには数秒かかります。モータは4秒目にオフになります。フライホイールのエネルギーは、図1に示されているように5000Ωの抵抗器としてシミュレートされた機械的負荷によって消費されます。
技術的なヒント： シミュレーションでは、機械的な部品の代わりに電気部品を使用することがあります。このシミュレーションでは、フライホイール（慣性モーメント）と機械的な負荷（ダンパ）は、それぞれコンデンサと抵抗器としてシミュレートされています。コンデンサはフライホイールのようにエネルギーを蓄え、抵抗器は機械的な負荷のようにエネルギーを消費させます。この類推をさらに進めると、ねじりばねをインダクタとして表現することもできます。
図3： 大型フライホイールを搭載したDCモータの典型的なステップ応答
DCモータとHブリッジの相互作用
図4は、DCモータとHブリッジのいくつかの動作モードを示しています。この図では、Tは秒を示し、Sは図1のどのスイッチが閉じたかを示します。
- T1からT2：S1とS4が閉じられ、時計回りに加速します。
- T2からT4：すべてのスイッチが開いている状態です。エネルギーは機械的負荷で消費されます。
- T4からT5：S2とS4が閉じられ、モータ巻線の抵抗でエネルギーが消費されるため、急速に減速します。
- T6からT7：S2とS3が閉じられ、反時計回りに加速します。
- T7からT9：すべてのスイッチが開いている状態です。
- T9からT10：S2とS4が閉じられ、急速に減速します。
T4とT9における電流スパイクは、モータに蓄えられた運動エネルギーに完全に依存していることに留意してください。一方、T1とT6におけるスパイクは、24 VDC電源によるものです。
図4： Hブリッジのスイッチが操作される際のモータの動特性を示す図
技術的なヒント： 図1には2つのヒューズがあります。1つのヒューズは電源に関連し、もう1つはモータに関連します。S1からS4を不適切に操作するとヒューズがオープンします。MultisimLiveモデルで実験してみましょう。何が原因で各ヒューズがオープンになるか確認してください。ヒント： エネルギー源は2つあります。また、S1/S2またはS3/S4のペアを駆動させることによる短絡も避けてください
ダイオードを介した転流
これまでの実験では、スイッチS1からS4を使用していました。この時点までは、ダイオードについては、モータのインダクタンスから発生するフライバック電圧を「キャッチする」という以外には考慮していませんでした。また、ダイオードについて言及したブートストラップに関する前述の記事では、通常DCモータ制御に使用されるMOSFETの不可欠な部分について触れられています。
図4に関して、単一のスイッチを使用してT4とT9の電流スパイクを生成することもできます。例えば、T4のブレーキ動作直前の状況を考えてみましょう。すべてのスイッチは開いており、モータ/フライホイールには依然としてかなりのエネルギーが残っています。モータは、プラス端子が上部に位置するバッテリとして機能します。S2を閉じると、モータとD4を通る回路が閉じます。直感的に分かりにくい回路経路が図5に示されています。S4とD2ペアを使用して、T9の動作用に同様の回路を構築することができます。同様に、S1とS3スイッチ用にもそれぞれ同様の回路を構築することができます。例えば、T4では、対応する電流がD1を流れるようにS3を起動して、システムをブレーキ制御することもできます。いずれの場合も、単一のスイッチ/ダイオードの組み合わせでモータをブレーキ制御することができます。
図5： 図4に示されているように、T4でモータにブレーキがかかる際の、直感的に分かりにくい回路
危険の緩和
高出力Hブリッジは制御が難しい場合があります。この記事で説明したように、問題が発生する原因は数多くあります。S1/S2またはS3/S4ペアの貫通は明らかな問題です。瞬時の反転も半導体に負担をかけます。技術的なヒントで説明されているように、この比較的小型の3.5ポンド（1.6kg）のCrouzetのモータは、約70Aを必要とします。また、モータが動作している場合、1つのスイッチを不適切にアクティブ化すると、高電流スパイクが発生する可能性があります。
ソフトウェアによる緩和策
これらの危険性は、方向転換を行う前に、十分な時間遅延を設けるか、エンコーダでシャフトの速度を検出する必要性を示しています。いずれの方法でも、システムの運動エネルギーのほとんどが消失するまでは、切り替えを行いません。
例として、図4のT1からT2のタイムスロットで識別された極性を考えてみましょう。S4の駆動は一定とし、S1はPWMとします。モータを逆回転させる際には、S2/S3のペアを瞬時に起動すべきではありません。待つか、意図的にモータを減速させるべきですが、電流スパイクや機械的な急激な動きを避けるため、あまり急激に減速させないようにします。最適な減速プログラムは、シャフトの速度を監視し、それから、S2をPWM制御してスムーズに停止させます。
ハードウェアによる緩和策
ハードウェアを選択する際には、コストのバランスを考慮する必要があります。最悪のケースとして70Aの連続電流を処理できるMOSFETを選択できます。また、妥当なオーバーヘッドで高い起動電流を処理できるMOSFETを選択することもできます。一例として、NexperiaのPXN012-100QSJを考えてみましょう。この小型MLPAK33パッケージの最新MOSFETは、200A 10μsピーク電流で50Aの連続電流を供給できます。故障状態を感知してシステムをシャットダウンする独立した回路を組み込むこともできます。
技術的なヒント： Crouzetのモータなどのモータは、機械ブレーキ付きで購入することができます。これは一般的に、モータがオフのときにロボットアームが静止している場合など、シャフトを所定の位置に保持するために使用されます。機械ブレーキでモータを停止することは避け、可能な場合は電気的な方法を使用してください。
おわりに
モータのドライブは複雑です。一見すると、4つの「単純な」スイッチを備えたHブリッジはそれほど難しくないように見えます。しかし、フライバックダイオードと、かなりの運動エネルギーを持つシステムに接続された高電流モータを組み込むと、複雑さは急速に増大します。転流ミスにより高電流が発生する可能性があります。驚くべきことに、1つのスイッチでも間違ったタイミングでオンすると、問題が発生する可能性があります。ハードウェアでこの問題をある程度軽減できます。ソフトウェアによる方法については、別の日に検討できるかもしれません。
次のシリーズ記事をお楽しみに。Hブリッジをブレッドボードで組み立て、DCモータを制御します。
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ご健闘をお祈りします。
APDahlen
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する啓蒙記事の執筆を楽しんでいます。
注目すべき経験
Dahlen氏は、DigiKey TechForumに積極的に貢献しています。この記事を書いている時点で、彼は200以上のユニークな記事を作成し、さらにTechForumへ600にものぼる投稿を提供しています。Dahlen氏は、マイクロコントローラ、VerilogによるFPGAプログラミング、膨大な産業用制御に関する研究など、さまざまなトピックに関する見識を共有しています。