信頼性の高いPWM回路設計でDCモーター速度を精密制御

DCモーターの速度を制御する方法はいくつかあります。しかし、最も好まれるシンプルな方法の一つは、パルス幅変調（PWM）回路を使用することです。PWM（パルス幅変調）は、長い間慣性負荷を駆動するために使用されてきた技術です。モータードライバーの制御にパルス幅変調を使用することには、いくつかの利点があります。

しかし、おそらく最も重要な利点は、トランジスタが完全に「オフ」または「オン」のいずれかであるため、スイッチング導体での電力損失が小さいままであることです。この記事では、PWM回路の設計方法について説明します。ここでは、電気信号を離散的な部分に効果的に分割して電子信号伝送の電力を削減する手段など、重要な問題について議論します。

PWM回路の専門的入門

パルス幅変調（PWM）は、デジタル信号の一種を説明する用語です。パルス幅変調は、高度な制御回路など、多くのアプリケーションで使用されています。PWMが多く使用される標準的な方法は、LEDの調光制御とサーボモーターの方向制御です。

パルス幅変調回路は、電気信号の伝送中に平均電力を減らすことで機能します。これは、信号を離散的な部分またはサンプルに分離することで行います。前述の通り、通信、電圧調整、サーボモーター制御、デジタル回路、モーター速度制御など、多くの利点と用途があります。

パルス幅変調回路は、動作時に大きなノイズを発生しないという事実に基づき、多くのユーザーにとってトップチョイスです。処理時に音を発するアナログ信号とは異なり、パルス幅変調回路はノイズ耐性があり、高効率です。さらに、パルス幅変調回路は経済的で、多くのスペースを必要としません。パルス幅変調回路の構築は複雑ではなく、手間がかかりません。これらの回路の製造に必要なコンポーネントは組み立てやすいです。

また、パルス幅変調回路の製造または生産に従うステップは、他のコースの設計とは異なり、非常に快適です。パルス幅変調回路は、最小限のハードウェアを使用してアナログ回路に簡単に変換し直せます。

PWM回路におけるデューティサイクル、周波数、パルス幅

lデューティサイクル

前述の通り、パルス幅変調信号は特定の時間オンになり、残りの時間はオフになります。「オン」と「オフ」の基準で動作します。PWM信号をより有用でユニークにする側面は、デューティサイクルを制御することで、特定の時間オンのままに設定できることです。PWM信号がオンの時間またはHIGHである時間の割合または比率をデューティサイクルと呼びます。

信号がオンのままなら、100%デューティサイクルです。しかし、常にオフの場合、0%デューティサイクルです。デューティサイクルの計算式は以下の通りです：

デューティサイクル = オン時間 / (オン時間 + オフ時間)

lPWMの周波数

パルス幅変調回路の周波数は、PWMが1周期を完了する速さ、つまりどれだけ速いかを決定します。1周期は、パルス幅変調信号の完全なオンとオフの期間です。通常、多くのマイクロコントローラーが生成するパルス幅変調信号は500Hz前後です。このような周波数は、コンバーターやインバーターなどの高速スイッチングコンポーネントで多く使用されます。

しかし、すべてのアプリケーションが高周波を必要とするわけではありません。例えば、サーボモーターを制御するには、約50Hzの周波数を持つPWM信号を生成する必要があります。簡単に言えば、パルス幅変調信号がどれだけ速くオン・オフするかは、PWM信号の周波数によって決まります。

PWM回路におけるパルス幅

PWM回路はパルス幅（PW）で構成されます。定義により、パルス幅は単一パルスの立ち上がり/ハイエッジと立ち下がり/ローエッジの間の経過時間または時間です。パルス幅は、通常伝送に使用されるキャリア信号などの別の信号の持続時間です。このような測定を正確で再現可能にするために、電力レベルの50%が基準点として使用されます。

PWM回路の構築方法

PWM回路の構築は、それほど難しい作業ではありません。以下は、PWM回路を作るために必要な材料の一部です。光沢紙

• 銅張り基板
• アセトン
• 塩化第二鉄
• レーザープリンター
• ハサミ
• マーカーペン
• プラスチック容器
• サンドペーパー
• 安全手袋
• 鋸
• ラテックス手袋

ステップ 1: 回路の設計

PCB設計ソフトウェアで回路図の設計を開始します。KiCad、Express PCB、DipTrace、NI Multisim、Altium Designerなどの設計ソフトウェアを使用できます。EAGLE PCB設計ソフトウェアが最良のオプションです。

ステップ 2: PCBレイアウトの設計

回路図の設計が完了したら、今度はPCBレイアウトを開発する番です。できればEagle EDAツールを使用します。完了したら、PCB製造のために光沢紙にレイアウトを印刷します。ここではレーザープリンターのみを使用してください。ここで必要なコンポーネントには以下が含まれます：

• ヘッダー (2.54mm)
• PCB: FR4ガラス繊維
• ネジ端子ブロック
• コンデンサ – 0.1 uF (104)
• 抵抗器
• 1N5403 – ダイオード (3A)
• TLP250 – ゲートドライバー
• IRFP460 – パワーMOSFET

ステップ 3: はんだ付けプロセス

パワーMOSFETを駆動するには、ICゲートドライバーを使用します。しかし、再び、TLP250 ICはIGBTとパワーMOSFETのゲートドライバー回路に適しています。PWMコントローラーを使用して、LEDの輝度レベルを制御したり、LEDドライバーとして使用したりできます。PWMコントローラーは、PWMディマーと同じ役割も果たします。

ステップ 4: MOSFET電力損失計算

第4ステップでは、電力損失の計算が含まれます。以下は電力損失の計算式です：

P = R × I²

P = R_ds(ON) × I²

ここで、

P = 電力

I = 電流

R_ds(ON) = ドレイン-ソース間オン抵抗

ステップ 5: ヒートシンクなしの最大電力損失

電力損失は、指定された熱条件下でMOSFETによって消費される最大電力です。PWM回路の構築における第5ステップは、ヒートシンクなしの最大電力損失の計算です。電力損失の計算はシンプルです。接合温度を取り、周囲温度を引き、最大接合部周囲熱抵抗で割ることで計算されます。

Pd = Tj (max) – TA

RθJA

ステップ 6: PWMドライバーのインターフェース

これがPWM回路を持つための最終ステップです。PWMドライバーをインターフェースまたは完成させるには、ジャンパーワイヤー、PWMドライバー、Arduino UNOボード、DCモーター、SMPS、10kポテンショメーターが必要です。

注意すべき点

PWM回路設計は、指示を注意深く守らないと困難な作業になる可能性があります。現実では、本やインターネットで見つかるものとは少し異なることに気づくかもしれません。安全側に立つためには、いくつかの問題を考慮する必要があります。例えば、必要なすべての材料が揃っていることを確認する必要があります。

また、最初から最後まですべてのステップを、示された通りに実行することを確認する必要があります。安全に関する事項も考慮する必要があります。清潔で安全な環境で作業することを確認してください。また、電力損失、抵抗器ワット数、マイクロコントローラーの使用など、重要な側面を計算する必要があるため、計算に精通している必要があります。

適用分野

PWM回路は幅広い用途で使用されています。PWMコントローラーが使用される適切な例には以下が含まれます：

• DCモーターの速度制御に使用
• LEDライトストリップとLEDライトの輝度制御に使用
• トーン生成に使用
• DCパワーヒーターにも応用
• DC駆動コンポーネントに使用

PWMコントローラーをセットアップしたい？ご連絡ください

PWMコントローラーのセットアップは困難な作業になる可能性があります。大多数の人が、PWMコントローラーのセットアップで困難を感じています。PWMコントローラーのセットアップで困っていますか？心配しないでください。WellPCBがお手伝いします。私たちが助けられるのに、沈黙の中で苦しまないでください。PWMモーターコントローラーに関するあらゆる側面を理解しています。あなたが座ってリラックスしている間に、すべてをセットアップします。あなたの用途に応じて、負荷を設定し、ショートを避けるためにすべての配線を接続し、PWMコントローラーの最大電力損失を計算します。

結論

前述の通り、DCモーターの速度制御は多くの方法で達成可能です。しかし、パルス幅変調の使用が最良かつ最も信頼できる方法です。DCモーターの速度制御にパルス幅変調を使用することに関連する利点はたくさんあります。それらの一部には、小さな電力損失と一定のモーター電圧が含まれます。PWMモーターの構築は、すべての指示に従わない場合、フラストレーションのたまる作業になる可能性があります。PWMコントローラーの開発とセットアップが難しいと感じている場合は、支援をご依頼ください。私たちは数十年の経験とプロフェッショナリズムを持つ、最高のプロフェッショナルPWM設計者です。