BLDC・ステッパ・サーボと電子整流

BLDC で整流子・ブラシを代わるものは

直流電動機は回転する電機子を整流子とブラシが適切な瞬間に電流の向きを変えてこそ一方へ回り続けた。BLDC は磁石を回転子に、巻線を固定子に裏返した上で、この機械的整流をなくした。アニメーションで回転子の位置に合わせて固定子巻線が順に点く様子を見よう。整流子とブラシがしていた仕事を何が代わるか。

BLDC は直流機を裏返したもの

直流電動機は回転する電機子巻線を整流子とブラシで整流し一方向のトルクを出した。BLDC はこの構造を裏返す。磁束を作る永久磁石を回転子に、電流が流れる巻線を固定子に置く。そして回転子の位置をセンサで読み、インバータが回転子を前へ押す向きの固定子巻線にだけ電流を送る。回転子が回ると点ける巻線を順に変え、整流子がしていた整流を電子的にやってのける。トルク-速度特性は直流電動機に似るが、ブラシがないので摩耗と火花が消え寿命が長い。

ステッパはパルスで位置を数える

ステッパはパルス一つで決まったステップ角だけ回転子が一コマ動く。ステップ角は一回転をステップ数で割った値、すなわち360°をステップ数で割った値だ。パルス数を数えれば位置を、パルス頻度で速度をセンサなし(開ループ)でも正確に知る。だからプリンタ・CNC のように決まった量だけ精密に動かす所に使う。ただし負荷がステップの出せるトルクを越えると一コマを取りこぼし位置を失う脱調が起きる。

サーボはフィードバックで締める

サーボモータは位置と速度をエンコーダで測りその信号を制御器へ戻し(閉ループ)、目標と実際の誤差を0へ縮める。本体には BLDC や小型同期機をよく使うが、サーボの核心はモータではなくフィードバック制御だ。速い応答と高い精度が要るロボット関節・工作機械に使う。三つを並べて見ると、いずれも回転子の位置情報で巻線通電を司る一つの家族で、BLDC は連続トルクを、ステッパは離散位置を、サーボは閉ループ精度を狙う点だけが違う。直流機の整流子から始まった整流という概念が、電子回路とセンサに出会い位置を司る現代の機械へ続いたのだ。

最初の画面に戻ると

整流子とブラシを代わったのは位置センサとインバータだった。BLDC は直流機を裏返して磁石を回転子に、巻線を固定子に置き、回転子の位置に合わせてインバータが適切な巻線に電流を送る電子整流で機械接点を消した。ステッパは同じ位置の概念をパルス一コマずつの離散位置に変え、サーボはその位置をエンコーダで戻し閉ループで締める。三つは回転子位置で巻線通電を司るという一つの幹から分かれ、それぞれ連続トルク・離散位置・閉ループ精度を狙う。直流機の整流子から出発したこの科目の物語が、電子回路とセンサに出会い位置を司る現代の機械で閉じる。

BLDC もサーボも、回転子の位置に合わせて固定子巻線に適切な電流を送るインバータが心臓だ。そのインバータがどう直流を望む大きさと周波数の交流に変えるか、すなわちスイッチングと PWM の基礎が最後のユニットの主題だ。誘導機の V/f 制御、同期機の可変速、BLDC の電子整流が、すべて同じインバータの上で回る(MC-E2)。