DCモーター-PWM vs電圧

5V定格のDCモーターを制御する場合、理論的には次の方法でモーターを駆動できます。

1. 100％デューティサイクルPWMで5V。
2. 50％デューティサイクルPWMで10V。
3. 25％デューティサイクルPWMで20V。

2つの間に違いはありますか？オプション2/3を使用すると、モーターの寿命が短くなりますか？PWM周波数を変更すると、モーターの寿命が向上しますか？これを行う理由は、より高い電圧でモーターをはるかに遅く駆動することが可能であるためです。

はい、これは非常に異なります。PWMドライブと電圧ドライブを別々にしても、それほど大きな意味はありませんが、この方法で組み合わせると、大幅に異なるパフォーマンスが得られます。

電気的には、モーターをインダクター（巻線）、抵抗器、および電圧源（EMF、モーター速度に比例）としてモデル化できます。高い電圧と比較して低い電圧をかけると、次のようになります。

• $dI/dt$
• 逆起電力のために最大速度が低くなります

PWMとより高い電圧を使用すると、より高いピーク速度と、多くの場合、同じ速度ではるかに高いトルクを実現できます。

高い電圧をかけるとモーターが損傷するという本当の理由はありません。モーターの損傷は以下によって引き起こされます：

• ベアリングの過負荷（例：スラストベアリングアクスルのシャフトを横に押す）
• ベアリングの過速度（主に使用するオイルに依存）
• ブラシのアーク放電（高速で発生し、電流が大幅に少なくなり、電流も大きくなる）
• 過熱による内部構造の変形と層間剥離

また、非常に高い電流でモーターを過熱または運転すると、磁気飽和によりトルクが（大幅に）低下します。

モーターを速度、トルク、および力の制限内に維持し、適切に冷却することが保証できる場合、PWMでより高い電圧でモーターを実行することの欠点はありません。

PWM駆動モーターは降圧コンバーターです。回路とモーターが優れた降圧コンバーターを作る限り、各オプションの間に違いはありません。

覚えておくべきいくつかのこと：

$1000V$$20V$

PWM周波数がモーターの巻線インダクタンスに対して低すぎる場合、各PWMサイクルでの電流が大幅に変化し、トルクリップルが高くなり、優れたバックコンバーターがなくなります。パフォーマンスと効率が低下します。極端な場合、モーターを回転させることすらできません。

降圧コンバータの場合と同様に、PWMドライブにはトランジスタやその他の回路が必要であり、必然的に追加の損失が発生します。PWMドライブも設計が複雑で、適切に機能するのが難しく、実装にコストがかかります。これらの損失の一部（ヒステリシス損失など）はモーター内部にあり、モーターの温度が高くなります。通常、モーター性能の制限パラメーターであり、温度が高くなると、全体的にモーターの寿命が短くなります。ただし、これらの損失を巻線での抵抗損失など、DCですでに持っている損失に近づけるには非常に貧弱な設計が必要になるため、PWMとDCの駆動効率の差はそれほど大きくありません。

PWMを使用する場合は、いくつかの点に注意する必要があります。

まず、モーターが見るPWM電圧には高周波の高調波が含まれます。これらの高調波は、DC電圧を使用している場合には存在しないであろう損失をモーターに導入します。これは、PWMとDC（他のすべての条件が等しい）の場合、モーターが高温になることを意味します。これがモーターの寿命にどのように影響するかは、多くの事柄に依存します。モーターの世界には非常に大雑把な法則があり、モーターコイルの温度が10°C上昇するごとに、モーターの絶縁寿命が半分になります。使用しているPWMドライブを使用してモーターの定格テストを行い、モーターの定格を下げるか、ネームプレート定格でPWMを使用する場合の温度を通知する必要があります。しかし、ほとんどの人は実際にこのテストを行う準備ができています。

第2に、例（5V〜20V）のような低電圧について話していると仮定すると、増加した電圧自体はおそらく絶縁寿命にあまり影響を与えません。明らかにそれはモーターに依存しますが、一般的にモーターの絶縁は少なくとも1000 Vまでの電圧に短時間耐えることができます。PWMによる電圧スパイクが与えられた場合、これは、定格が約400V〜600V以上のモーターについて話すまで、絶縁寿命の低下について心配する必要がないことを意味します。PWMでのより高い電圧はブラシの寿命に影響を与える可能性がありますが、テストせずに言うのは本当に難しいです。