モーター制御を徹底解説：PWM信号生成の包括的ガイド

パルス幅変調（PWM）は、世界中のモーター制御アプリケーションで広く使用されている強力な技術です。その多様性、効率性、そして実装の容易さから、現代の組込みシステムやパワーエレクトロニクスの礎となっています。この包括的なガイドは、PWM信号生成の深い理解を提供することを目的としており、その基本原理、様々な実装方法、実践的な考慮事項、そして国際的なエンジニアリングプロジェクトに関連する高度なトピックを網羅しています。

パルス幅変調（PWM）とは何か？

PWMは、電源を高い周波数でオンオフに切り替えることにより、電気負荷に供給される平均電力を制御する方法です。「パルス幅」とは、信号が「オン」状態（高電圧）である時間の、サイクルの全周期に対する割合を指します。この比率はパーセンテージで表され、デューティサイクルとして知られています。

例えば、50%のデューティサイクルは、信号が周期の半分は「オン」、残りの半分は「オフ」であることを意味します。デューティサイクルが高いほど負荷に供給される電力は多くなり、デューティサイクルが低いほど電力は少なくなります。

PWM信号の主要なパラメータ

• 周波数： PWM信号がそのサイクルを繰り返す速さ（ヘルツ - Hzで測定）。周波数が高いほどモーターの動作は滑らかになりますが、スイッチング損失が増加する可能性があります。
• デューティサイクル： 各サイクル内で信号が「オン」である時間の割合（パーセンテージまたは0から1の間の小数値で表現）。これはモーターに印加される平均電圧を直接制御します。
• 分解能： 利用可能な離散的なデューティサイクルレベルの数。分解能が高いほど、モーターの速度とトルクをより細かく制御できます。分解能はしばしばビット数で表現されます。例えば、8ビットのPWMは256（2^8）通りのデューティサイクル値を持ちます。

なぜモーター制御にPWMを使用するのか？

PWMは、従来のモーター制御のアナログ方式に比べていくつかの利点を提供するため、多くのアプリケーションで好まれる選択肢となっています。

• 効率性： PWMはスイッチングモードで動作するため、スイッチングデバイス（例：MOSFET、IGBT）での電力消費を最小限に抑えます。これにより、余分な電力を熱として放散するリニア電圧レギュレータと比較して、エネルギー効率が高くなります。これは、バッテリー駆動のデバイスや省エネルギーが重要なアプリケーションで特に重要です。
• 精密な制御： デューティサイクルを変化させることにより、PWMはモーターに印加される平均電圧を正確に制御でき、正確な速度とトルクの調整を可能にします。
• 柔軟性： PWMはマイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ（DSP）、専用PWMコントローラを使用して容易に生成できます。これにより、システム設計の柔軟性が高まり、他の制御アルゴリズムとの統合が可能になります。
• 発熱の低減： スイッチングデバイスが完全にオンまたは完全にオフのどちらかであるため、リニア制御方式に比べて発熱が大幅に削減されます。これにより、熱管理が簡素化され、大きなヒートシンクの必要性が減少します。

PWM信号の生成方法

PWM信号は、単純なアナログ回路から洗練されたマイクロコントローラベースのソリューションまで、様々な技術を使用して生成できます。以下に一般的な方法をいくつか紹介します。

1. アナログPWM生成

アナログPWM生成は、通常、コンパレータを使用して基準電圧（目的のデューティサイクルを表す）をのこぎり波または三角波形と比較することを含みます。のこぎり波形が基準電圧を超えると、コンパレータの出力が切り替わり、PWM信号が生成されます。

利点： 入手しやすい部品で簡単に実装できる。 欠点： 精度と柔軟性が限られる。部品のばらつきや温度ドリフトに影響されやすい。複雑な制御アルゴリズムには不向き。

例： オペアンプをコンパレータとして構成し、RC回路で生成されたのこぎり波と可変分圧器でデューティサイクルを設定する方法。この方法は、基本的なモーター制御回路や教育用のデモンストレーションでよく使用されます。

2. マイクロコントローラベースのPWM生成

マイクロコントローラは、現代のモーター制御システムでPWM信号を生成するための最も一般的なプラットフォームです。ほとんどのマイクロコントローラには、周波数、デューティサイクル、分解能を精密に制御してPWM信号を生成するように設定できる、内蔵のPWMモジュール（タイマ/カウンタ）があります。

利点： 高い精度、柔軟性、プログラマビリティ。複雑な制御アルゴリズムの実装や他の周辺機器との統合が容易。周波数、デューティサイクル、分解能の選択肢が豊富。最小限の外部コンポーネントで済む。 欠点： プログラミングスキルとマイクロコントローラの周辺機器に関する理解が必要。

実装手順：

1. タイマ/カウンタの設定： マイクロコントローラ内の適切なタイマ/カウンタモジュールを選択し、その動作モード（例：PWMモード、コンペアモード）を設定します。
2. PWM周波数の設定： 目的のPWM周波数を達成するために必要なタイマのプリスケーラとコンペア値を計算します。これはマイクロコントローラのクロック周波数に依存します。
3. デューティサイクルの設定： 目的のデューティサイクル値を適切なコンペアレジスタに書き込みます。マイクロコントローラは、この値に基づいて自動的にPWM信号を生成します。
4. PWM出力の有効化： 対応するマイクロコントローラのピンを出力として設定し、PWM出力機能を有効にします。

例 (Arduino):

```arduino int motorPin = 9; // モータードライバーに接続されたデジタルピン int speed = 150; // モーター速度（0-255、0-100%のデューティサイクルに相当） void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(motorPin, speed); // 指定されたデューティサイクルでPWM信号を生成 delay(100); // 速度を100ms維持 } ```

例 (STM32):

これはSTM32 HALライブラリを使用してTIM（タイマ）ペリフェラルを設定することを含みます。

```c // 例ではTIM3をチャンネル1（PA6ピン）で使用することを想定 TIM_HandleTypeDef htim3; //タイマの設定 void MX_TIM3_Init(void) { TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 71; // 目的の周波数に合わせてプリスケーラを調整 htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // 目的の周波数に合わせてピリオドを調整 htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_Base_Init(&htim3); sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig); HAL_TIM_PWM_Init(&htim3); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 500; // デューティサイクルに合わせてパルスを調整（0-999） sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_MspPostInit(&htim3); } //PWMを開始 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); ```

3. 専用PWMコントローラ

専用のPWMコントローラICは、特に高電力のモーター制御アプリケーションにおいて、PWM信号を生成するための便利で、しばしばより効率的なソリューションを提供します。これらのICには通常、過電流や過電圧保護などの内蔵保護機能が含まれており、高度な制御機能を提供することがあります。

利点： 高性能、統合された保護機能、簡素化された設計、特定のモータータイプに最適化されていることが多い。 欠点： マイクロコントローラベースのソリューションに比べて柔軟性が低い、ディスクリート部品に比べてコストが高い。

例： Texas Instruments社のDRV8301やDRV8305ゲートドライバICの使用。これらは三相モーター制御アプリケーション専用に設計された複数のPWMチャネルと保護機能を内蔵しています。これらのICは、ロボット工学、ドローン、産業オートメーション向けのブラシレスDC（BLDC）モータードライブで一般的に使用されています。

PWMのモーター制御アプリケーション

PWMは、以下を含む多種多様なモーター制御アプリケーションで使用されています。

• DCモーターの速度制御： DCモーターに印加されるPWM信号のデューティサイクルを変化させることで、その速度を精密に制御できます。これはロボット工学、電気自動車、家電製品で広く使用されています。
• サーボモーターの制御： サーボモーターはPWM信号を使用してその位置を制御します。パルス幅がモーターシャフトの角度位置を決定します。サーボモーターはロボット工学、模型飛行機、産業オートメーションで広く普及しています。
• ステッピングモーターの制御： ステッピングモーターは通常、専用のステッピングモータードライバーで制御されますが、PWMを使用してモーター巻線の電流を制御し、マイクロステッピングを可能にし、性能を向上させることができます。
• ブラシレスDC（BLDC）モーターの制御： BLDCモーターは電子整流を必要とします。これは通常、モーターの相電流を制御するためにPWM信号を生成するマイクロコントローラまたは専用のBLDCモーターコントローラを使用して実現されます。BLDCモーターは電気自動車、ドローン、電動工具など様々なアプリケーションで使用されています。
• インバータ制御： インバータはPWMを使用してDC電源からAC波形を生成します。パワートランジスタ（例：MOSFETやIGBT）のスイッチングをPWM信号で制御することにより、インバータは調整可能な周波数と振幅を持つ正弦波AC電圧を生成できます。インバータは再生可能エネルギーシステム、無停電電源装置（UPS）、モータードライブで使用されます。

モーター制御におけるPWM信号生成の考慮事項

モーター制御にPWMを実装する際には、性能を最適化し、信頼性の高い動作を確保するために、いくつかの要因を考慮する必要があります。

1. PWM周波数の選択

PWM周波数の選択は非常に重要であり、特定のモーターとアプリケーションに依存します。一般に、周波数が高いほどモーターの動作は滑らかになり、可聴ノイズは減少しますが、パワートランジスタのスイッチング損失は増加します。周波数が低いとスイッチング損失は減少しますが、モーターの振動や可聴ノイズを引き起こす可能性があります。

一般的なガイドライン：

• DCモーター： 1 kHzから20 kHzの周波数が一般的に使用されます。
• サーボモーター： PWM周波数は通常、サーボモーターの仕様によって決まります（多くの場合、約50 Hz）。
• BLDCモーター： スイッチング損失と可聴ノイズを最小限に抑えるため、10 kHzから50 kHzの周波数がよく使用されます。

PWM周波数を選択する際には、モーターのインダクタンスとパワートランジスタのスイッチング特性を考慮してください。インダクタンスが高いモーターは、過大な電流リップルを防ぐために低い周波数が必要になる場合があります。より高速なスイッチングトランジスタは、スイッチング損失を大幅に増加させることなく、より高い周波数を可能にします。

2. デューティサイクル分解能

デューティサイクル分解能は、モーターの速度とトルクに対する制御の細かさを決定します。分解能が高いほど、特に低速時において、より細かい調整と滑らかな動作が可能になります。必要な分解能は、アプリケーションの精度要件に依存します。

例： 8ビットPWMは256段階の離散的なデューティサイクルレベルを提供し、10ビットPWMは1024レベルを提供します。精密な速度制御を必要とするアプリケーションでは、一般的に高分解能のPWMが好まれます。

より高分解能のPWMモジュール（例：12ビットや16ビット）を備えたマイクロコントローラは、要求の厳しいモーター制御アプリケーションで最高のパフォーマンスを提供します。

3. デッドタイム挿入

Hブリッジモータードライブでは、一方のトランジスタをオフにしてから反対側のトランジスタをオンにするまでの間に短い遅延（デッドタイム）を挿入することが不可欠です。これにより、トランジスタを損傷させる可能性のあるシュートスルー電流（貫通電流）を防ぎます。シュートスルーは、Hブリッジの同じレッグにある両方のトランジスタが瞬間的に同時にオンになり、電源を短絡させるときに発生します。

デッドタイムの計算： 必要なデッドタイムは、トランジスタのスイッチング速度と回路内の浮遊インダクタンスに依存します。通常、数百ナノ秒から数マイクロ秒の範囲です。

多くのマイクロコントローラPWMモジュールには、デッドタイム生成機能が内蔵されており、Hブリッジモータードライブの実装を簡素化します。

4. フィルタリングとEMI削減

PWM信号は、電流の急激なスイッチングにより電磁妨害（EMI）を発生させる可能性があります。フィルタリング技術を使用してEMIを削減し、システム全体の性能を向上させることができます。一般的なフィルタリング方法には以下があります。

• フェライトビーズ： モーターの電源線に配置して高周波ノイズを抑制します。
• コンデンサ： 電源をデカップリングし、電圧スパイクをフィルタリングするために使用されます。
• シールドケーブル： モーターケーブルからの放射エミッションを最小限に抑えます。

EMIを最小限に抑えるためには、慎重なPCBレイアウトも重要です。高電流のトレースは短く太くし、グランドプレーンを使用して電流の低インピーダンスなリターンパスを提供します。

5. フィードバック制御

精密なモーター制御のためには、フィードバック制御技術がしばしば採用されます。フィードバック制御は、モーターの速度、位置、または電流を測定し、目的の性能を維持するためにPWMデューティサイクルを適宜調整することを含みます。一般的なフィードバック制御アルゴリズムには以下があります。

• PID制御： 比例・積分・微分（PID）制御は、目的のモーター速度または位置と実際の値との間の誤差に基づいてPWMデューティサイクルを調整する、広く使用されているフィードバック制御アルゴリズムです。
• フィールドオリエンテッド制御（FOC）： FOCは、BLDCおよびACモーターに使用される高度な制御技術です。モーターのトルクと磁束を独立して制御し、高い効率と動的性能を実現します。

フィードバック制御を実装するには、フィードバック信号を測定するためのアナログ・デジタル・コンバータ（ADC）機能と、制御アルゴリズムをリアルタイムで実行するのに十分な処理能力を持つマイクロコントローラが必要です。

高度なPWM技術

基本的なPWM生成を超えて、モーター制御性能をさらに向上させることができるいくつかの高度な技術があります。

1. 空間ベクトルPWM（SVPWM）

SVPWMは、三相インバータドライブで使用される洗練されたPWM技術です。従来の正弦波PWMと比較して、電圧利用率の向上と高調波歪みの低減を提供します。SVPWMは、目的の出力電圧ベクトルを合成するためにインバータトランジスタの最適なスイッチングシーケンスを計算します。

2. シグマデルタ変調

シグマデルタ変調は、高分解能のPWM信号を生成するために使用される技術です。目的の信号をオーバーサンプリングし、フィードバックループを使用して量子化ノイズを整形することにより、高い信号対雑音比を持つ信号を生成します。シグマデルタ変調は、オーディオアンプや高精度のモーター制御アプリケーションでよく使用されます。

3. ランダムPWM

ランダムPWMは、PWMの周波数やデューティサイクルをランダムに変化させてEMIスペクトルを拡散させることを含みます。これにより、ピークEMIレベルを低減し、システム全体のEMC（電磁両立性）性能を向上させることができます。ランダムPWMは、自動車や航空宇宙アプリケーションなど、EMIが重大な懸念事項となるアプリケーションでよく使用されます。

国際規格と規制

国際市場向けのモーター制御システムを設計する際には、以下のような関連する規格や規制に準拠することが重要です。

• IEC 61800： 可変速電力駆動システム
• UL 508A： 産業用制御盤の規格
• CEマーキング： 欧州連合の健康、安全、環境保護基準への適合を示す。
• RoHS： 特定有害物質使用制限指令
• REACH： 化学物質の登録、評価、認可及び制限に関する規則

これらの規格は、安全性、EMC、環境コンプライアンスなどの側面をカバーしています。対象市場で適用される要件への準拠を確実にするために、規制の専門家と相談することをお勧めします。

グローバルな事例とケーススタディ

事例1：電気自動車（EV）のモーター制御

EVは、トラクションモーターの速度とトルクを管理するために、PWMに基づいた洗練されたモーター制御システムを利用しています。これらのシステムは、効率と性能を最大化するために、しばしばFOCアルゴリズムや高度なPWM技術（例：SVPWM）を採用しています。Tesla（米国）、BYD（中国）、Volkswagen（ドイツ）などの国際企業がEVモーター制御技術の最前線にいます。

事例2：産業用ロボット

産業用ロボットは、複雑なタスクを実行するために精密なモーター制御に依存しています。サーボモーターやBLDCモーターが一般的に使用され、その位置と速度を制御するためにPWMが採用されています。ABB（スイス）、ファナック（日本）、KUKA（ドイツ）などの企業は、産業用ロボットとモーター制御システムの主要な製造業者です。

事例3：再生可能エネルギーシステム

太陽光発電システムや風力タービンのインバータは、DC電力をグリッド接続用のAC電力に変換するためにPWMを使用します。高調波歪みを最小限に抑え、エネルギー効率を最大化するために、高度なPWM技術が使用されています。SMA Solar Technology（ドイツ）やVestas（デンマーク）は、洗練されたインバータ制御システムを開発している再生可能エネルギーセクターの主要プレーヤーです。

結論

PWM信号生成は、現代のモーター制御システムの基本的な技術です。このガイドでは、PWMの原理、様々な実装方法、実践的な考慮事項、そして国際的なエンジニアリングプロジェクトに関連する高度なトピックを探求しました。PWMのニュアンスを理解し、アプリケーションの要件を慎重に考慮することにより、エンジニアは世界中の幅広いアプリケーション向けに、効率的で信頼性が高く、高性能なモーター制御システムを設計することができます。単純なDCモーターの速度コントローラであれ、洗練されたBLDCモータードライブであれ、PWMを習得することは、モーター制御とパワーエレクトロニクスの分野で働くすべてのエンジニアにとって不可欠です。