DCモーター速度制御完全ガイド

DCモーターは、電気を運動に変える機械である。非常にシンプルで一般的なモーターである。しかし、回転速度を変えるにはどうすればいいのでしょうか？これがDCモーターのスピードコントロールと呼ばれるものです。モーターの回転数を管理する方法を知ることは、どんなプロジェクトにとっても非常に重要です。これはロボットのような小さなものから工場の機械のような大きなものまで同じです。この記事では、速度を制御する簡単な方法を紹介します。様々な方法について学びます。単純な電圧制御から、電気の素早いパルスを使うより高度な方法まで、あらゆる方法を取り上げます。このガイドを読めば、誰でも簡単にDCモーターの速度制御の仕組みを学ぶことができます。

DCモーターとは何か？

DCモーターは、電力を動く力に変える装置である。直流（DC）と呼ばれる種類の電気を使用する。これはバッテリーから得られる電力の一種である。DCモーターの仕組みの主な考え方は非常にシンプルです。DCモーターの内部には、ワイヤーのコイルと磁石があります。電気がコイルを通ると磁界が発生します。この新しい磁界が磁石の磁界を押す。この押しがDCモーターの中間部分を回転させる。

ブラシ付きDCモーターには、整流子と呼ばれる部品がある。この部品はモーターが回転し続けるのを助ける。整流子は特殊なスイッチである。半回転するごとにコイルに向かう電気の向きを反転させる。この作用により、磁力が正しい方向に押し出され続ける。その結果、DCモーターは回り続ける。DCモーターの回転速度は、与える電圧に左右される。電圧を高くすれば速くなる。この単純なルールが、すべてのDCモーター速度制御の出発点です。これは、全く異なる種類の電力を使用するACモーターとは異なります。DCモーターは様々なプロジェクトに最適です。

DCモータの速度制御はなぜ重要か？

DCモーターのスピードをコントロールできることは、とても大きなことだ。おもちゃの車を思い浮かべてほしい。速く走らせたいが、遅くも走らせたい。もしモータの速度制御がなかったら、車の速度は1つしかない。スピードレギュレーションは、DCモーターに必要なことを正確に行わせるものです。このような正確な制御は、ロボット、ファン、ポンプ、その他多くの装置に必要です。例えば、ロボットのアームは、時にはゆっくりと慎重に動かす必要があります。また、非常に速く動かす必要がある場合もあります。

優れたモーター制御は節電にも役立ちます。DCモーターを常に最高速度で運転すると、大量のエネルギーを消費します。作業に合わせて速度を調整すれば、消費電力は少なくなる。これは、バッテリーで動作するガジェットには特に重要です。適切なコントローラーと制御方法を使うことで、電力を無駄にすることなく、プロジェクトをよりうまく機能させることができる。また、適切な速度調整を行うことで、DCモーターやその部品の消耗を抑えることができます。そのため、モーターを長持ちさせることができます。DCモーターのスピードコントロールについて学ぶことは、持っておくととても便利なスキルです。

DCモーターの速度を制御する最も簡単な方法とは？

DCモーターの回転数を制御する最も簡単な方法は、電気経路の抵抗を変えることです。これは、DCモーターに向かう電気の通り道に抵抗を置くことでできる。この方法を抵抗制御と呼ぶ。これを行う簡単な方法は、可変抵抗器を使うことです。抵抗器の設定を変えると、DCモーターに入る電圧の大きさが変わります。

この速度制御の方法は非常に単純だが、いくつかの大きな問題がある。抵抗器が非常に熱くなるのだ。これは、多くの電力を熱に変えてしまうからだ。この熱は無駄な電力でしかない。また、DCモーターが行う仕事が難しくなったり簡単になったりすると、その速度も変化する。DCモーターがより強く働く必要がある場合、負荷トルクは上がり、モーターは減速し始める。この方法は、非常に基本的なスピードの仕事には適しています。しかし、ほとんどのプロジェクトでは、DCモーターを制御するもっと良い方法が必要です。

電圧を変えるとモーターの回転数はどう変わるのか？

DCモーターの速度は、それが得る電圧の量に直接リンクしている。つまり、電源電圧を上げればモーター速度も上がる。電圧を下げればモーターの回転数は下がる。これがDCモーター速度制御の最もシンプルで重要なルールである。この方法には、電圧制御または駆動電圧制御という名前があります。DCモーターを電源に接続することで、モーターの電圧を変えることができます。

直流モーターの簡単な回路を思い浮かべてみよう。電圧を高くすると、コイルに大電流が流れる。これにより強力な磁界が発生し、DCモーターは非常に速く回転する。電圧を下げると、電流はあまり流れなくなる。そのため磁場が弱くなり、DCモーターはゆっくりと回転する。電圧とモーター速度の間には、このような関係があるのです。難しいのは、電力を無駄にしない電圧の変え方を見つけることだ。抵抗を使うだけで、多くのエネルギーを浪費する。このため、賢い人たちは、どんなDCモーターでも電圧を制御できるように、より良い回路を作りました。

パルス幅変調（PWM）とは何か？

PWMと呼ばれるパルス幅変調は、DCモーターの速度を制御するためのはるかに優れた方法です。単に電圧レベルを下げるのではなく、PWMコントローラーはDCモーターへの電力を非常に速いペースでオン・オフする。PWMコントローラーは、DCモーターへの電力を非常に速いペースでオン・オフする。パルス幅」は、それぞれのバースト電力が持続する時間を示す。このオン・オフのパターンをデューティ・サイクルと呼ぶ。オン」時間が長ければ、DCモーターはより多くの電力を得て、より速く回転する。オン」時間が短ければ、電力は少なくなり、回転は遅くなる。

この方法は非常にうまく機能し、電力をあまり浪費しない。駆動回路のスイッチはすべてオンかオフのどちらかである。このため、電力が熱として失われることはほとんどない。PWM信号により、DCモーターは安定した低電圧を得ているように動作する。例えば、電源が半分の時間オンになっている場合（これは50%のデューティ・サイクルです）、DCモーターは全電圧の半分の電圧を得ているかのように動作します。PWMはモーター速度を非常に正確に制御します。モーターを制御するための多くの新しいシステムは、DCモーターを管理するためにPWMを使用しています。これはすべての制御技術の中で非常に一般的な選択です。

制御できるDCモーターには様々な種類がある？

DCモーターには主にいくつかの種類があります。よく目にするのは、ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーターです。ブラシ付きDCモーターはシンプルで低コストのモーターです。ブラシと呼ばれる小さなカーボンブロックと整流子を使い、回転する部分に電力を送ります。これらのモーターは制御が難しくない。また、始動トルクも高い。つまり、始動直後は非常に強いのだ。この品質により、多くの簡単な作業に最適です。

ブラシ付きDCモーターには、直列モーター、シャントモーター、複合モーターなどの種類もある。シャントDCモーターは、電線が「並列」と呼ばれる特別な方法で接続された種類の1つである。もう一つの種類は永久磁石直流モーターである。これは永久磁石を使って磁界を作ります。DCモーターには、それぞれ速度と回転力の扱い方があります。適切なDCモーターを選ぶには、プロジェクトが何をする必要があるかに基づきます。電圧を変えるなど、DCモーターの速度制御の主な考え方は、ほとんどのものに通用します。

ブラシレスDCモーターはどのように物事を良くするのか？

ブラシレスDCモーターはBLDCモーターとも呼ばれ、より新しく優れた電気モーターである。ブラシ付きDCモーターとは異なり、ブラシや整流子がない。これらの部品の代わりに、電子速度コントローラー（またはESC）を使用して、コイル内の電気の流れる方向を変えます。特別な駆動回路がこの仕事を行う。多くの場合ホール効果センサーであるセンサーが、回転している部品がどこにあるかをコントローラーに伝えます。こうすることで、コントローラーは次にどのコイルに電力を送るべきかを知ることができる。

ブラシレスDCモーターの主な長所は、無駄なくよく働き、長持ちすることだ。磨耗するブラシがないので、頻繁に修理する必要がない。また、ノイズが少なく、高速回転が可能です。ブラシレスDCモーターの回転数は、電子コントローラーによって管理される。このコントローラーは、多くの場合PWMを使用している。コントローラーは、モーターのコイルに供給する電力バーストのタイミングとデューティ・サイクルを変えることができる。ブラシレスDCモーターとそのコントローラーの使用は少々難しいが、ドローン、電気自動車、コンピューター内のファンなど、最高の性能を必要とする仕事には最高の選択肢である。

速度と方向を制御するHブリッジ回路とは？

Hブリッジは特殊な電子回路です。直流モーターを前後進させることができます。また、モーターの速度を制御するためにも使用される。この回路は、スイッチの配置がアルファベットの「H」に似ていることから、この名前が付いた。DCモーターは「H」の中央部分に接続されている。この回路には4つの異なるスイッチがあり、通常はトランジスタである。つのスイッチを同時にオンにすることで、DCモーターを流れる電気の方向を変えることができる。

• モーターを一方向に回転させるには、1組のスイッチをオンにする。
• 反対方向に回転させるには、もう一方のペアをオンにする。これを極性の反転という。

Hブリッジ回路は、PWMを使ってスピードをコントロールするのにも最適です。スイッチにPWM信号を送ることができる。これにより、モータの速度をどちらかの方向に制御することができます。これにより、DCモーターの速度と方向の両方を完全に制御できる。多くのモーター・コントローラー・チップやDCドライブには、すでにHブリッジ回路が内蔵されている。Hブリッジ回路は、ロボットを動作させる上で非常に重要な部分であり、他の多くの制御システムでも使用されています。Hブリッジ回路はブラシレスDCモーターにも使えますが、その駆動回路はより複雑になります。

DCモーターにはどのようなコントローラーが必要か？

必要なコントローラーのタイプは、使用するDCモーターと、モーターに何をさせたいかによって決まります。非常にシンプルなプロジェクトであれば、スイッチと可変抵抗器だけで済むかもしれません。しかし、よりうまく動作させるには、電子スピードコントローラーが必要です。モーター専用に作られたコントローラーは、無駄な電力を使わずに速度を制御するためにPWMを使うことができます。単純なアナログ回路のコントローラーもあります。また、マイコンやArduinoのようなマイクロコントローラーのような小さなコンピューターを使ってPWM信号を作るものもあります。マイコンを使えば、より高度なモーター制御が可能になる。

ブラシレスDCモーターの場合、特別な電子スピードコントローラー（ESC）を使う必要がある。この種のコントローラーは、モーターを回転させるために必要な複雑なスイッチング作業を行うことができる。サーボモーターもDCモーターの一種です。サーボモーターは、その内部に独自のコントローラー回路を内蔵している。このため、位置を非常に正確に制御することができる。コントローラーを選ぶ際には、DCモーターが必要とする電圧と電流で動作することを確認する必要があります。良いコントローラーであれば、DCモーターのスピードとトルクを非常に正確にコントロールすることができます。コントローラーはモーターの頭脳のようなものです。

DCモーターにおける速度、電圧、トルクの関係は？

速度、電圧、トルクがどのように連動するのかを理解することは、DCモーターの仕組みを知る上で非常に重要です。すでにお話ししたように、DCモーターの速度はほとんどが電圧と関係しています。しかしトルクは、そのほとんどが電流と関係しています。トルクとはモーターの回転力のことで、モーターの "強さ "と考えてもいい。DCモーターがハードな仕事をしているとき（負荷トルクが高いという意味）、より多くの電流が必要になります。この余分な電流は、その仕事を処理するためにより大きなトルクを生み出すのに役立ちます。

DCモーターに一定の電圧を与えると、モーターはある速度で回転しようとします（これが無負荷速度です）。モーターに仕事をさせると、モーターはほんの少し減速します。また、仕事をするために必要なトルクを作るために、より多くの電気を引き込みます。仕事がハードすぎると、モーターは回転を止めてしまうかもしれない。そうなると、非常に大きな電流を引き込むことになり、モーターが壊れる可能性がある。優れた速度制御システム、特に速度センサーを使用して速度をチェックするシステムでは、電圧またはPWMデューティ・サイクルを変更することができます。これは、トルクの量が変化しても速度を同じに保つのに役立ちます。速度とトルクが互いにどのように影響し合っているかを知ることは、DCモーターを使用するプロジェクトにとって非常に重要です。

覚えておくべき重要なこと

• スピードは電圧に従う： DCモーターの回転数制御の最も単純なルールは、モーターの回転数は与えた電圧に直結しているということです。
• PWMはうまく機能している： パルス幅変調（PWM）はモーター速度を制御する優れた方法です。これは、電源を非常に高速でオン・オフすることで機能する。これは多くの電力を節約するのに役立ちます。
• ブラシ付きかブラシレスか： ブラシ付きDCモーターはシンプルで、コストもそれほどかからない。ブラシレスDCモーターは、より良く働き、長持ちし、音も大きくないが、より複雑な電子コントローラーが必要である。
• 完全なコントロールのためのHブリッジ： Hブリッジ回路は、DCモーターの速度と方向の両方を制御する必要がある場合に必ず必要となるものだ。
• 回転力と電流は連動している DCモーターのトルク（回転力）は、引き込む電気の量に関係している。より難しい仕事には、より多くの電流が必要になる。
• 適切なコントローラーを選ぶ どのようなコントローラーを選ぶかによって、DCモーターをどの程度管理できるかが決まります。単純な抵抗器から小型コンピュータを使ったシステムまで、どんなものでも選ぶことができます。