PWM制御のモーター制御とは？DCモータの仕組みも！（回転数制御：電圧制御：パルス幅：直流モーター：トルク制御など）

工場の自動化設備からロボット、家電製品まで、あらゆる場所で直流モーターが使われています。

そのモーターの回転数やトルクを思い通りに操るために欠かせないのがPWM制御という技術です。

PWM制御という言葉は聞いたことがあっても、実際にどんな仕組みでモーターを動かしているのか、詳しく説明できる方は意外と少ないのではないでしょうか。

パルス幅や電圧制御、デューティ比といった専門用語が並ぶと、なんとなく難しそうに感じてしまうものです。

しかし基本の考え方さえ押さえてしまえば、PWM制御は決して複雑な理論ではありません。

この記事では、PWM制御のモーター制御とは何かという結論から、DCモータの仕組み、回転数制御や電圧制御との関係、パルス幅とトルク制御のつながりまで、順を追って丁寧に解説していきます。

電子工作や制御回路の設計に関わる方はもちろん、モーター制御を基礎から学び直したい方にも役立つ内容を目指しました。

ぜひ最後までお付き合いください。

PWM制御のモーター制御とは、直流モーターの回転数やトルクをパルス幅の調整で操る制御方式です

それではまずPWM制御のモーター制御とはどのようなものかについて解説していきます。

PWM制御とは、Pulse Width Modulationの略で、日本語ではパルス幅変調と呼ばれる制御方式です。

モーターに供給する電圧を一定の周期でオンとオフに切り替え、そのオンになっている時間の割合を変化させることで、モーターに伝わる実質的な電力量を調整します。

つまりPWM制御のモーター制御とは、電圧そのものを連続的に変えるのではなく、パルスの幅を細かく操作することで回転数やトルクをコントロールする技術のことです。

この仕組みによって、直流モーターの回転数制御、電圧制御、トルク制御のすべてを一つの方式で実現できる点が最大の特徴でしょう。

PWM制御の基本的な考え方

PWM制御の基本は、電源をオンとオフに高速で切り替えるという単純な発想にあります。

オンの時間とオフの時間の比率を変えることで、モーターが受け取る平均的なエネルギー量が変化します。

オンの時間を長くすればモーターは強く回り、短くすれば弱く回るという仕組みです。

この切り替えの速さは非常に速く、人間の目にはほとんど連続した動作のように見えます。

まさにこの高速な断続動作こそが、PWM制御の核心と言えるでしょう。

DCモータとPWM制御の相性が良い理由

直流モーターは供給する電圧や電流の大きさに応じて回転数やトルクが変化する性質を持っています。

そのためPWM制御によってオンオフの比率を調整すれば、モーターの動作を細かくコントロールできるのです。

さらにPWM制御はスイッチング動作が中心となるため、抵抗器を使った制御方式に比べてエネルギーの無駄が少なく済みます。

電力損失が少ないということは、発熱も抑えられるということでしょう。

この効率の良さが、DCモータの制御にPWM制御が広く採用されている大きな理由です。

PWM制御で実現できること

PWM制御を用いることで、モーターの回転数制御、電圧制御、トルク制御をまとめて実現できます。

回転数を細かく調整すればファンやコンベアの速度を最適化できますし、トルク制御を行えば負荷に応じた安定した動作が可能です。

さらにPWM制御はデジタル回路との相性も良く、マイコンによるプログラム制御と組み合わせやすいという利点もあります。

PWM制御の仕組みについて確認していきます

続いてはPWM制御が具体的にどのような仕組みで動いているのかを確認していきます。

PWM制御を理解するうえで欠かせないキーワードが、パルス幅とデューティ比です。

この二つの関係を押さえておけば、PWM制御の全体像がぐっと理解しやすくなるでしょう。

パルス幅変調とは何か

パルス幅変調とは、一定の周期の中でオンになっている時間の長さを変化させる技術のことです。

周期そのものは固定したまま、オンの時間だけを伸ばしたり縮めたりします。

この操作により、モーターに供給される平均電力を自在に調整できるのです。

周期を固定する理由は、モーターや回路にかかる負担を安定させるためでしょう。

デューティ比と出力電圧の関係

デューティ比とは、一つの周期のうちオンになっている時間の割合を示す数値です。

デューティ比が高いほどモーターに伝わる平均電圧は高くなり、回転数も上昇します。

反対にデューティ比が低ければ、平均電圧は下がり回転数もゆっくりになります。

スイッチング素子の役割

PWM制御を実現するためには、高速でオンオフを切り替えられるスイッチング素子が必要です。

代表的なものとしてはMOSFETやトランジスタが挙げられます。

これらの素子がマイコンやドライバICからの信号に応じて瞬時に切り替わることで、パルス幅の調整が可能になるのです。

スイッチング素子の性能がPWM制御全体の応答性や効率を左右すると言っても過言ではないでしょう。

DCモータの仕組みについて確認していきます

続いてはPWM制御の対象となる直流モーター、つまりDCモータの仕組みについて確認していきます。

DCモータの基本構造を知っておくと、PWM制御がなぜ有効なのかがより深く理解できるはずです。

直流モーターの基本構造

DCモータは主に、固定された磁石であるステーター、回転する電磁石であるローター、そして電流の向きを切り替えるブラシと整流子から構成されています。

電流がローターのコイルに流れることで磁界が発生し、その磁界と固定磁石との相互作用によって回転力が生まれます。

このシンプルな構造こそが、DCモータが古くから広く使われ続けている理由でしょう。

電流と磁界による回転の原理

DCモータの回転は、フレミングの左手の法則に基づいた電磁力によって生み出されます。

コイルに電流が流れると、周囲に磁界が発生します。

この磁界と永久磁石の磁界が反発し合ったり引き合ったりすることで、回転力が発生する仕組みです。

電流の量が多いほど発生する磁界も強くなり、結果として大きなトルクを生み出せます。

ブラシ付きとブラシレスの違い

DCモータにはブラシ付きモーターとブラシレスモーターの二種類があります。

ブラシ付きモーターは構造がシンプルで安価な反面、ブラシの摩耗という課題を抱えています。

一方ブラシレスモーターは、電子回路によって電流の向きを切り替えるため、耐久性が高く高効率です。

どちらのタイプであっても、PWM制御による回転数制御やトルク制御の考え方は基本的に共通していると言えるでしょう。

比較項目	ブラシ付きモーター	ブラシレスモーター
構造の複雑さ	シンプル	やや複雑
耐久性	ブラシの摩耗あり	摩耗部品が少なく高耐久
制御のしやすさ	電圧調整のみで容易	専用ドライバ回路が必要
コスト	比較的安価	やや高価
PWM制御との相性	良好	非常に良好

回転数制御と電圧制御の関係について確認していきます

続いては回転数制御と電圧制御がどのように結びついているのかを確認していきます。

モーターの回転数と供給電圧には、ほぼ比例に近い関係があります。

電圧を変えて回転数を調整する方法

もっとも直感的な回転数制御の方法は、モーターにかける電圧そのものを変化させることです。

電圧が高くなれば回転数は上がり、電圧が低くなれば回転数は下がります。

抵抗器を使って電圧を落とす方法も存在しますが、この方式は余分な電力を熱として消費してしまう欠点があります。

PWM制御による疑似的な電圧調整

PWM制御では、実際に電圧の大きさそのものを変えているわけではありません。

オンとオフを高速に繰り返すことで、モーターが感じる平均電圧を疑似的に調整しているのです。

この方法であれば抵抗による電力損失がほとんど発生しないため、非常に効率の良い回転数制御が実現できます。

省エネルギーが求められる現代の機器において、この効率性は大きな魅力ではないでしょうか。

線形制御方式との比較

電圧そのものを連続的に変化させる方式は、一般にリニア制御と呼ばれています。

リニア制御は制御が滑らかである反面、余分な電力を熱として捨ててしまうため効率面で劣ります。

対してPWM制御はスイッチング方式であるため発熱が少なく、小型化や省電力化に向いているでしょう。

比較項目	PWM制御	リニア制御
制御方式	オンオフの切り替え	電圧を連続的に変化
エネルギー効率	高い	低め
発熱	少ない	多くなりやすい
回路の複雑さ	やや複雑	比較的シンプル
ノイズ	発生しやすい	発生しにくい

パルス幅とトルク制御の関係について確認していきます

続いてはパルス幅の調整がトルク制御にどのように関わっているのかを確認していきます。

回転数だけでなく、モーターが生み出す力であるトルクもPWM制御と深く関係しています。

パルス幅がトルクに与える影響

パルス幅を広げてデューティ比を高くすると、モーターに流れる平均電流が増加します。

電流の増加はそのまま磁界の強さの増加につながり、結果としてトルクも大きくなります。

逆にパルス幅を狭めれば、電流と磁界が弱まり、トルクも小さくなるという関係です。

つまりパルス幅の調整は、回転数だけでなくトルクの大きさにも直結していると言えるでしょう。

負荷変動時のトルク制御

モーターにかかる負荷は、動作中に常に一定とは限りません。

荷物の重さが変わったり、走行する路面の状態が変化したりすることもあるでしょう。

PWM制御では電流値をリアルタイムで検出しながらパルス幅をフィードバック制御することで、負荷が変動しても安定したトルクを維持できます。

この柔軟な調整力こそが、PWM制御が精密機器やロボットにも採用される理由の一つです。

PWM周波数の選び方

PWM制御ではデューティ比だけでなく、パルスの周波数も重要な要素です。

周波数が低すぎるとモーターの回転にカクつきが生じたり、耳障りな振動音が発生したりすることがあります。

一方で周波数を高くしすぎると、スイッチング損失が増えて発熱が大きくなる場合もあります。

用途に応じて適切な周波数帯を選ぶことが、快適で効率的なモーター制御には欠かせないでしょう。

PWM制御を活用する際の注意点について確認していきます

続いてはPWM制御を実際の回路に取り入れる際の注意点について確認していきます。

優れた制御方式であるPWM制御にも、設計時に気を付けたいポイントがいくつか存在します。

ノイズや発熱への対策

高速なスイッチング動作は、電磁ノイズを発生させる要因になります。

周辺の電子機器に影響を与えないよう、フィルタ回路やシールドを適切に配置する必要があるでしょう。

また、スイッチング素子自体の発熱にも注意が必要です。

放熱設計を怠ると、素子の寿命が縮んでしまう可能性があります。

PWM周波数と可聴音の関係

PWM制御の周波数が人間の可聴域に近いと、モーターから「キーン」といった耳障りな音が聞こえることがあります。

この現象を避けるために、周波数を可聴域より高く設定する設計が一般的です。

静音性が求められる家電製品などでは、この点への配慮が特に重要になるでしょう。

モータードライバICの選定ポイント

実際の設計では、PWM信号を受け取りモーターを駆動するドライバICの選定も重要な工程です。

対応電流や電圧の範囲、放熱性能、保護機能の有無などを確認しておく必要があります。

用途に合わないICを選んでしまうと、モーターの性能を十分に引き出せないだけでなく、故障の原因にもなりかねません。

信頼できるメーカーの資料を参考にしながら、慎重に選定することをおすすめします。

まとめ

ここまでPWM制御のモーター制御とは何かという結論から、DCモータの仕組み、回転数制御や電圧制御との関係、パルス幅とトルク制御のつながりまで解説してきました。

PWM制御のモーター制御とは、電源のオンオフを高速に切り替え、そのパルス幅の割合を変化させることでモーターの回転数やトルクを効率よく操る技術のことです。

抵抗を使う従来の方式と比べて電力損失が少なく、発熱も抑えられる点が大きな魅力でしょう。

DCモータの基本構造や回転の原理を理解しておくことで、PWM制御がなぜ効果的なのかがより明確になったのではないでしょうか。

デューティ比やパルス幅、PWM周波数といった要素を適切に調整することで、精密な回転数制御とトルク制御の両立が可能になります。

一方でノイズ対策や発熱管理、ドライバICの選定など、実践の場で気を付けるべきポイントも存在します。

これからモーター制御に取り組む方は、ぜひ今回の内容を参考に、PWM制御の基礎をしっかりと押さえてみてください。