ステッピング・モータ・コントロールの静音化
ステッピング・モータは、適切なシーケンシングでモータ・コイルに電圧を印加することによって作動します。望ましいモータ動作を実現するには、この電流を電流チョッパーまたは電圧チョッパーによって適切にチョッピングする必要があります。定オフ時間PWMチョッパーは、一部のアプリケーションでは依然として広く利用されており、効果的な方法です。ただし、これらの古典的なチョッパーはステッピング・モータを振動させ、ステッピング・モータの特徴的なブーンというノイズやチャープ・ノイズを発する可能性があります。このノイズは、3Dプリンティング、デスクトップ製造、会議および監視カメラ、個人用医療機器など、可聴ノイズが許容されない用途では性能上の問題となる可能性があります。更に、これは、モータがスムーズに動作していないことを示す兆候でもあります。
ADI Trinamic™テクノロジは、電流チョッパーおよび電圧チョッパー制御モードを活用して効率を高め、ステッピング・モータのノイズを低減または除去することで、よりスムーズで効率的なステッピング・モータ機能を実現します。
チョッパー・モードとは
一般的なバイポーラ2相ステッピング・モータでは、2つのコイルのそれぞれの両端にモータ・ドライバからアクセス可能であり、このモータには4本のワイヤがあります。電流を制御するために、各相は1つのMOSFETハーフブリッジに接続され、どちらかの端を電源電圧またはグラウンドに切り替えることができます。特定の方法でMOSFETをスイッチングすると、次の各モードでステッピング・モータ電流を制御できます。ONフェーズでは、電流が電源電圧からグラウンドに流れます。高速減衰では、電流がグラウンドから電源電圧に流れます。低速減衰では、電流が再循環されます。両方のモータ・コイルを流れる電流はチョッパーで制御されます。
各チョッパー・サイクルでは、最初にモータ電源電圧が巻線に印加されます。これにより、巻線の電流が急速に上昇します（ONフェーズ）。コントローラは、例えば各巻線に直列なセンス抵抗の両端の電圧を測定することによって、各巻線の電流を監視します。電流が仕様規定された制限を超えると、巻線から電流の負荷を減らすために、巻線のもう一方の端に電圧が短時間供給されます（高速減衰）。次に、巻線が短くなり、電流が循環してコイル抵抗を介してゆっくりと減少します（低速減衰）。電流が仕様規定された制限を下回ると、電圧が再びオンになり、モータに再び負荷がかかります。
正しいチョッパー方式を使用すると、滑らかなゼロ交差の電流サイン波を実現できます。これにより、モータの逆起電力によって引き起こされる電流波形の典型的なスパイクが排除されるだけでなく、エネルギー効率が向上した共振のないステッピング・モータ動作も実現されます。ステッピング・モータなどの電気モータのコイルには特定のインダクタンスがあるため、限られた時間だけエネルギーを蓄えることができます。これは、モータ・コイルに新たな電流を供給することなく、一定の電流をモータ・コイルに保持できることも意味します。この特性は、定TOFFなどの従来のチョッパー・モード、またはSpreadCycle™やStealthChop™などの高度なチョッパー・モードのいずれかを使用することで、ステッピング・モータを駆動するときにエネルギーを蓄えることができることを意味します。
定TOFF電流チョッパー
古典的な定TOFF電流チョッパー方式では、比較的一定の電流を維持できます。モータの両方の相を流れる電流ペアにより、特定のステップ位置が得られます。最新のマイクロステッピング・ドライバにはこの制御ループが実装されているため、コントローラとの追加のやり取りが不要になります。
ただし、この古典的なチョッパー手法では、振動が発生して非効率や不要なノイズとして現れる可能性があります。これは、高速減衰フェーズと低速減衰フェーズの間の固定された関係によって引き起こされます。この固定された関係の結果、仕様に規定された目標電流には到達しますが、平均電流は望ましい目標よりも低くなります。オシロスコープでは、モータにトルクがないゼロ交差時に平坦なプラトーが確認でき、これがウォブリングや振動の原因となります。
SpreadCycle PWMチョッパー
ADI Trinamic SpreadCycleチョッパーは、ヒステリシス機能を追加することで、定TOFFチョッパーが機械システムに引き起こす問題を克服します。SpreadCycleチョッパーは、低速減衰と高速減衰の間に適切な関係を自動的に適用して、高速減衰がそのサイクルに最適となるよう調整します。ヒステリシス機能は、電流を徐々に降下させるパラシュートとして機能し、平均電流が目標電流に一致するようにします。このサイクルごとのチョッパー・モードでは、完全な電流サイン波が得られるだけでなく、電流リップルとトルク・リップルも低減されます。
従来の電流チョッパー・モードではモータの逆起電力によって過度の変形が発生する高RPM時でも、SpreadCycleチョッパーは高い効果を維持します。モータ・コントロール・テクノロジは、各チョッパー・サイクル中に電流を測定し、ヒステリシス機能を自動的に調整して、高速減衰フェーズを最適化します。SpreadCycleチョッパーとパラメータの設定の詳細については、アプリケーション・ノート「Parameterization of SpreadCycle」を参照してください。
StealthChop電圧チョッパー
StealthChop電圧チョッパーは、非同期のモータ・コイル・チョッパー動作、PWMジッタ、センス抵抗での数ミリボルトのレギュレーション・ノイズによって引き起こされるノイズを除去することで、ステッピング・モータの完全な静音化を実現します。
電流安定化チョッパーは、常にサイクルごとにコイル電流測定に反応します。これにより、ノイズが発生し、また両方のモータ・コイル間の電気的および磁気的カップリングが発生します。このカップリングにより、結果として生じるモータ電流にわずかな変動が生じ、それによって電流チョッパーが影響を受けます。StealthChopチョッパーは、PWMデューティ・サイクルに基づいて電流を変調し、ゼロ電流レベルと直線で交差する完全な電流サイン波を生成します。一定のPWM周波数により、電流リップルが最小限に抑えられ、ひいてはステータ内で発生する可能性のある渦電流が最小限に抑えられることで、電力損失が減少し、効率が向上します。StealthChopチョッパーは、チョッパー周波数の変動、つまり周波数ジッタも除去し、指令された変動のみが残るようにします。したがって、50%のPWMデューティ・サイクルでは、電流は実際にはゼロになります。これらすべての結果、停止時および低速から中程度の速度でステッピング・モータが静かに動作するようになります。
統合を容易にするために、StealthChop2チョッパーは、電源投入後の最初のモーション中に最適な設定を自動的に学習し、その後のモーションで更に設定を最適化します。この学習プロセスには、最初のホーミング・シーケンスで十分です。StealthChopアプリケーションとStealthChop2アプリケーションは、どちらも従来の電流制御よりも10dB低いノイズ・レベルを達成しています。