精密エンコーダのガイド：直交出力からホール効果出力まで

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APDahlen Applications Engineer

この技術概要では、ブラシレスDC（BLDC）モータに搭載されたロータリエンコーダについて検証します。図1に示すTeknicのモータは、現在では販売されていないNXPのOM13067キットの一部でした。DigiKeyでは、小型ドライバのMCSPTE1AK116から大型ドライバの1kW HVP-MC3PHまで、さまざまなNXP開発キットを取り揃えています。

DigiKeyのみんなが言うように、「使用するだけではなく、分解してみましょう！」

Figure 1: Blue sky reflecting off an etched encoder featuring high resolution quadrature slots as well as concentric hall-simulating phase slots.
Figure 1: Blue sky reflecting off an etched encoder featuring high resolution quadrature slots as well as concentric hall-simulating phase slots.1041×781 115 KB

図1： 高分解能の直交スロットと、同心円状の、ホール効果をシミュレートする位相スロットを備え、空色に反射するエッチング加工されたエンコーダ

エンコーダディスクの説明

モータのエンコーダディスクのクローズアップ画像を図2に示します。エッチング加工されたスロットがはっきりと見え、緑色の点で強調された複数の同心円状のスロットや、放射状に密接に配置された数百ものスロットも確認できます。これは、2つの出力を備えた汎用エンコーダで、次のように分類できます。

  • シャフトが1回転するごとに1回出力されるインデックスパルスによる直交出力

  • 120°の電気的回転を反映するホール効果出力

図2には、ホールトラック上の個々の点を識別する緑色の点の列が含まれています。対応する2進数列はオレンジ色で示されています。この概要の後半で示すように、この回転パターンはロジックアナライザで読み取ることができる場合があります。

技術的なヒント： ホールセンサは磁界の存在を検出するために使用されます。一部のBLDCモー タは、ステータ巻線間にホールセンサを組み込んでいます。この位置から、センサはロータの永久磁石から発せられる磁界を検出することができます。ここで紹介するモー タは、光学的方法を使用して対応する信号を生成します。

Figure 2: Close up image showing the encoder’s interrupt disk. The orange lines identify the transition points for the phase slots.
Figure 2: Close up image showing the encoder’s interrupt disk. The orange lines identify the transition points for the phase slots.1032×669 84.8 KB

図2： エンコーダの遮断ディスクを示すクローズアップ画像。オレンジ色の線は、位相スロットの遷移点を示しています。

実験回路の構成

ここで取り上げるモータは、永久磁石付き三相同期モータです。 BLDCモータは発電機として動作させることができることを思い出してください。 この例では、図3に示すように、大型ドリルを使用してモータを約850RPMで回転させます。DigilentのAnalog Discovery Pro（ADP22309）のオシロスコープ機能は、AC波形を取得します。このDigilentの計測器は、ロジックアナライザを使用してエンコーダ出力を取得することもできます。

Figure 3: Image of the BLDC motor being driven by a drill. The results are captured using the Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230).
Figure 3: Image of the BLDC motor being driven by a drill. The results are captured using the Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230).1014×761 81.1 KB

図3： ドリルで駆動されるBLDCモータの画像。結果はDigilent Analog Discovery Pro（ADP2230）を使用して取得されます。

直交出力

直交エンコーダについては、すでに技術フォーラムで取り上げられています。繰り返し説明することは控え、この初心者向けガイドを参照していただくことにします。そこには、大型でシンプルかつ多機能な直交エンコーダが紹介されています。この製品は、一対の反射型センサによって生成される必要不可欠なA相およびB相の直交信号を出力します。また、誘導型近接センサによるインデックス出力も備えています。

これまでの記事で説明した内容から、図に示されているような直交波形の解釈に問題はないはずです。図4のインデックス（I）信号は便利なトリガーとなります。このインデックスはシャフトが1回転するごとに1回発生することを思い出してください。

Figure 4: Logic analyzer and oscilloscope showing the encoders I, A, and B quadrature outputs in relationship to the motors (generators) three phase outputs.
Figure 4: Logic analyzer and oscilloscope showing the encoders I, A, and B quadrature outputs in relationship to the motors (generators) three phase outputs.975×434 133 KB

図4： モータ（発電機）の三相出力とエンコーダのI、A、およびBの直交出力の関係を示すロジックアナライザとオシロスコープ

ホール効果出力

このTechForumでは、BLDCモータに適用されるホール効果センサについてはまだ取り上げられていません。ここではホールセンサの詳しい説明は省略し、代わりに（図4および5）に示すように、ホール効果をシミュレートするエンコーダによって生成される波形に焦点を当てます。対象のモータにはホールセンサが搭載されていないため、シミュレーションを行います。ホールセンサの代わりに、モータは光学手段を使用して同じタイミングで信号を生成します。

今回の実験では、ドリルでモータを回転させました。オシロスコープは、図5に示すように、三相BLDCモータ（ドリルをエネルギー源とし、発電機として動作）の2つの相間電圧を取得しました。微妙な点ですが、2つのプローブグラウンドはT相端子にあることに注意してください。したがって、T相からS相とT相からR相の電圧を測定していることになります。

図4のロジックアナライザは、エンコーダ出力を示しています。よく見ると、SからT、およびTからRの電圧は、オシロスコープのTからS、およびTからR相電圧と一致しており、一方の信号で位相が反転しています。

重要な観察としてホールセンサの出力はシャフトの物理的な位置と完全に一致していることを認識してください。これは、モータコントローラに適切なタイミングでBLDCモータの相巻線を起動させるよう通知する転流の目的を強く示唆しています。おそらく、別の機会に、この方法でBLDCモータを転流する方法をご紹介できるでしょう。例えるなら、BLDCモータにおけるホールセンサと三相ブリッジの組み合わせは、ブラシ式モータにおける整流子のようなものです。どちらの場合も、回転磁界に完全に一致するように電流の流れを変えるために使用されるスイッチについて説明しています。ホールセンサと 三相ブリッジの組み合わせは、効率と寿命の点で明確な利点があります。

技術的なヒント： R、SおよびTは、三相システムにおける各相を識別するために使用されることがよくあります。代替名称には、A、BおよびC、やL1、L2およびL3があります。

ホールセンサのシーケンス

ホールセンサの出力は、100、101、001、011、010、110を繰り返す2進数シーケンスに従います。これは図2で最初に確認され、図5にも示されています。このパターンは、電気の回転を明確な位相に分割するために再び使用されます。これは、適切な位相巻線が適切なタイミングで起動されるように転流に使用されます。

Figure 5: Waveforms focused on the 120° Hall sensor signals. Note the distinct timing relationship between the AC waveform and the simulated hall output from the encoder. The green dots match the Figure 2 dots.
Figure 5: Waveforms focused on the 120° Hall sensor signals. Note the distinct timing relationship between the AC waveform and the simulated hall output from the encoder. The green dots match the Figure 2 dots.1028×475 131 KB

図5： 120°ホールセンサ信号に焦点を当てた波形。AC波形とエンコーダからの、ホール効果がシミュレートされた出力の明確なタイミング関係に注目してください。緑色の点は、図2の点と一致します。

技術的なヒント： 「電気回転」と「機械回転」は極数によって関連付けられています。今回のモータは8極なので、1回の機械回転につき電気回転は4回となります。例えば、図3では電気周期は約18ミリ秒です。これを4倍すると機械的回転周期がわかります。その結果、回転数は約830RPMとなります。これは、モータを駆動するために使用したドリルの銘板表記の回転速度に近い値です。

おわりに

この記事では、BLDC モータに搭載された高性能かつ汎用的なエンコーダを取り上げました。エンコーダは、1回転につき1回のインデックスとともに直交出力信号を提供します。これは適切なエンコーダと組み合わせることで、シャフトの位置を10分の1度単位で監視することができます。また、エンコーダはホール効果がシミュレートされたセンサ出力を備えています。この3つの機能は、モータ転流に使用できます。

今後ホールセンサを使用したモータの転流について探究していきますので、おたのしみに。

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ご健闘をお祈りします。

APDahlen

関連情報

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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。.




オリジナル・ソース（English）