spiceを活用したモーター駆動制御シミュレーションセミナー資料 25 feb2015
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1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例1.2 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路4.モーター駆動制御関連のデバイスモデリングサービスのご案内5.質疑応答
SPICE を活用したモーター駆動制御シミュレーションセミナー
2015 年 2 月 25 日マルツエレック株式会社
1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
2Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
2014 年 9 月 25 日 ( 木曜日 )
3Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 4
半導体メーカー及び電子部品メーカー ( サプライヤ企業 )
電子機器メーカー
自動車メーカー
社会インフラメーカー
(1) お客様への自社製品の SPICE モデルの提供(2) 自社製品のアプリケーション回路開発
(1) 研究開発及び設計(2) 故障解析キーワード:電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、 LED 照明回路及び電池回路
(1) 研究開発及び設計キーワード: AC モーター駆動回路、インバータ回路、 LED 照明回路 HEV 、 EV 、 二次電池、燃料電池及び回生回路
(1) 全体システム回路設計(2) 故障解析キーワード:太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池
対象の市場
5Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
【環境発電 ( エナジーハーベスト ) 分野】発電デバイス + ハーベスト IC+ アプリケーション回路
【生体信号分野】⇒ 人体の SPICE モデル+電子回路シミュレーション(1) 心臓(2) 脳+神経(3) 血液
【教育分野】(1) 実務向けオンサイトセミナー⇒ 企業向け教育プログラムの提供及び実施(2) 教育用プログラム⇒LTspice で回路学習 + キットで実機学習
光起電力 ( 太陽電池 )
振動発電 ( ピエゾ素子 )
温度差発電 ( ペルチェ素子 )
+ ハーベスト IC + アプリケーション回路
対象の市場
6Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。
(1) 研究開発 ①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発 ②システム開発及び回路開発の回路動作現象(2) 回路設計 ①アプリケーション開発 ②トポロジーの開発及び選定 ③回路設計及び回路動作検証 ④損失計算 ⑤ノイズ検証 ⑥熱解析(3) クレーム解析 ①故障解析 ②オープン・ショート ③想定外使用 ④サージ解析
回路解析シミュレータの用途の多様化
7Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
回路シミュレーションのポイント
【ポイント 1】回路解析シミュレーションの解析精度 =スパイスモデルの解析精度である。 有償 SPICE でも無償 SPICE でも採用する SPICE モデルで解析精度が決定される。 1 個でも変な動作をするスパイスモデルがあると NG
【ポイント 2】シミュレーションの用途に応じた SPICEモデルを採用する。 波形動作確認であれば、簡易 SPICE モデルでも問題ない。 損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のある SPICE モデルを採用する。 温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応 SPICE モデルを採用する。 ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応 SPICE モデルを採用する。
【ポイント 3】回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。 回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。 回路解析結果の正誤を判断する必要があります。
8Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
回路設計のワークフロー
仕様
回路方式選択( トポロジーの選定 )
詳細回路設計回路図作成材料表作成
基板設計
回路設計
ビー・テクノロジー製品及びサービス
コンセプトキット製品
デザインキット製品シンプルモデル
デバイスモデリング教材スパイス・パーク
デバイスモデリングサービス
カスタムデザインキットサービス
ビー・テクノロジー製品及びサービス
9Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
シミュレーション上の課題について
第一の壁
第二の壁
第三の壁
第一の壁: SPICE の習得第二の壁: SPICE モデルの入手第三の壁:シミュレーション技術
10Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
シミュレーション解析時間
10%90%
実際のシミュレーション解析時間
実際の解析時間は 10%程度です。 90%の時間を SPICE モデルの入手に費やしています。
SPICE モデルの入手に費やしています。
サプライヤ企業から入手するスパイス・パークからダウンロードするデバイスモデリングサービスを活用する自分で SPICE モデルを作成する
シミュレーション上の課題について
11Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
ダイオードの SPCIE モデルを作成する場合の事例(ダイオードの SPICE モデルは 3種類ある )
デバイスモデリングの難易度
高い
低い
電流減少率モデル⇒等価回路で -didt を再現している
IFIR法モデル⇒等価回路で Trr(trj +trb) を再現している
パラメータモデル⇒ パラメータだけで作成できる簡易型モデル
シミュレーション上の課題について
12Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
① 再現性問題 実機波形とシミュレーション波形が合わない【解決方法】目的に合った SPICE モデルを採用する目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる【ご提供するサービス】SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
② 解析時間問題 早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する【解決方法】目的に合った SPICE モデルを採用するタイムスケール機能を採用する【ご提供するサービス】SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
③収束エラー問題 最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。【解決方法】SPICE の .OPTIONS のパラメータを最適化する。スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。【ご提供するサービス】収束エラー解決サービス
シミュレーション上の課題について
13Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
Motenergy, Inc (ME0913)
Motor Electrical Parameters• Operating Voltage Range..........................0 – 72 VMAX
• Rated Continuous Current........................140 Arms
• Peak Stalled Current.................................400 Arms
• Voltage Constant.......................................50 RPM/V
• Phase Resistance (L-L).............................0.0125 Ω
• Phase Inductance......................................105uH at 120Hz, 110uH at 1kHz
• Maximum Continuous Power Rating……..17KW at 102VDC Battery Voltage
14.3KW at 84VDC Battery Voltage
12KW at 72VDC Battery Voltage
Motor Mechanical Parameters• Rated Speed.............................................3000 RPM
• Maximum Speed.......................................5000 RPM
• Rated Torque............................................288 Lb-in
• Torque Constant.......................................1.6 Lb-in/A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 14
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 15
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
PSpice VersionLTspice Version
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 16
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
PSpice VersionLTspice Version
• The Torque are defined by :
At 140Arms (Rated Continuous Current)
KT = 1.6 Lb-in/A
Tphe = 1.6 140 = 224Lb-in
Te = 224*3= 672Lb-in
• The Back-EMF are defined by :
At 5000 RPM (Maximum Speed)
Ephe ≈ VBAT (In an ideal motor, R and L are zero)
Ephe = 102V
KE = Ephe /ωm = 102 / 5000
KE ≈ 0.02V/RPM
Torque and Back-EMF
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 17
wTw
vTv
uTu
IKT
IKT
IKT
mEw
mEv
mEu
KE
KE
KE
phe : u, v, w
Vphe : Phase voltage applied from inverter to motor
VAC : Operating voltage range (Maximum voltage)
VBAT : DC Voltage applied from battery
Iphe : Phase current
Tphe : Electric torque produced by u, v, w phase
Te : Electric torque produced by motor
Ephe : Phase Back-EMF
KE : Back-EMF constant KT : Torque constant
ωm : Angular speed of rotor
1 Pound Inch equals 0.11 Nm
TwTvTueT
(1)
(2)
(3)
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 18
L 11 2
B E M F 1R 1
L 21 2
B E M F 2R 2
L 31 2
B E M F 3R 3
N 0
U
V
W
Phase Resistance (L-L) : 0.0125ΩPhase Inductance: 105uH
: 110uH
Frequency Response
105uH
110uH
Fig.2 Phase-to-GroundFig. 1 Scheme of the 3-Phase Model
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
PARAMETERS:
K T = 1 . 6K E = 0 . 0 2
L L = 1 0 5 UR L L = 0 . 0 1 2 5
PARAMETERS:L O A D = 1 4 0
U 3
L M = L L I L = L O A D
K T0 = K TR M = R L L * 0 . 5
1 2S
PT
Q
e m f _ u
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E M F _ V
e u
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E M F _ W
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E L I M _ V
0
lim _ v
IN+IN-
OUT+OUT-
E S P
0
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E L I M _ Wlim _ w
0
e m f _ ve v
e m f _ u
-+
+-
E 2
0e m f _ v
e m f _ we w-+
+-
E 3
e m f _ w0
n 1
t u
0
t v
0
t w
N 0
n 2
U
n 3W
V
V u
s p e e dU 4A N D 3 A M B
IN+IN-
OUT+OUT-
E TQ
0
m u l
V v
t o rq u e
V w
-+
+-
E 1
0
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E M F _ U
0
IN+IN-
OUT+OUT-
E L I M _ U
0
lim _ u
s p _ v
s p _ u
s p _ us p _ w
s p _ ws p _ v
U 1
L M = L L I L = L O A D
K T0 = K TR M = R L L * 0 . 5
1 2S
PT
Q
U 2
L M = L L I L = L O A D
K T0 = K TR M = R L L * 0 . 5
1 2S
PT
Q
The 3-Phase AC Motor Equivalent Circuit
• This figure shows the equivalent circuit of AC motor model that includes the |Z|-frequency part ,Back-EMF voltage part ,and Mechanical part.
• The Back-EMF voltage is the voltage generated across the motor's terminals as the windings move through the motor's magnetic field.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 19
|Z| - Frequency Back-EMF Voltage
Mechanical part
Fig. 3 Three-Phase AC Motor Equivalent Circuit
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Parameters Settings
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 20
LOAD : Load current each phase of motor [Arms]– e.g. LL = 125Arms, 140Arms, or 400Arms
LL : Phase inductance [H]– e.g. LL = 10mH, 100mH, or 1H
RLL : Phase resistance (Phase-to-phase) [Ω]– e.g. RLL = 10mΩ, 100mΩ, or 1Ω
KE : Back-EMF constant [V/RPM]– e.g. KE= 0.01, 0.05, or 0.1
KT : Torque constant [Lb-in/A]– e.g. KT= 0.1, 0.5, or 1
1 Pound Inch equals 0.11 Nm
Model Parameters:
Fig. 4 Symbol of 3-Phase Induction Motor
• From the 3-Phase Induction Motor specification, the model is characterized by setting parameters LL, RLL, KE, KT and LOAD.
M N 0
U 1M E 0 9 1 3
L L = 1 0 5 U
L O A D = 1 4 0K T = 1 . 6K E = 0 . 0 2R L L = 0 . 0 1 2 5
1
2
3
4
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Simulation Circuit of 3-Phase AC Motor Model
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 21
• Fig.5 Analysis of motor operation powered by alternating voltage variation involves using the model of three-phase induction motor.
N 0N 0
R U
R V
R W
U 2G D R VU
D
UP
VDVP
WD
WP
RU, RV, RW: 173.75m
U P U D V DV P W P W D
V 11 0 2 V +
-
+
-
S 1 D 1D M O D _ 0 1
+
-
+
-
S 2 D 2D M O D _ 0 1
U P
U D
0
0
+
-
+
-
S 3
M N 0
U 1M E 0 9 1 3
L L = 1 0 5 U
L O A D = 1 4 0K T = 1 . 6K E = 0 . 0 2R L L = 0 . 0 1 2 5
1
2
3
4
D 3D M O D _ 0 1
+
-
+
-
S 4 D 4D M O D _ 0 1
V P
V D
0
0
+
-
+
-
S 5 D 5D M O D _ 0 1
+
-
+
-
S 6 D 6D M O D _ 0 1
W P
W D
0
0
U
0
V
W
V 21 0 2 V
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Phase Current Characteristics Under Load Variation - Simulation Results
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 22
Fig. 6 Current Characteristics under load Condition
Time
0s 500msI(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A Time
0s 500msI(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A
Time
0s 500msI(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A
Load 50Arms
Load 140Arms
Load 200Arms
Reference of Phase U
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Time
0s 500msV(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V Time
0s 500msV(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V Time
0s 500msV(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V
Back-EMF Characteristics Under Load Condition - Simulation Results
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 23
Fig. 7 Back-EMF Characteristics under load Condition
Load 50Arms
Load 140Arms
Load 200Arms
Reference of Phase U
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Time
0s 500msV(X_U1.tu)
0V
0.5KV
1.0KV
(446.486m,223.728)
V(X_U1.speed)0V
1.0KV
2.0KV
3.0KV
4.0KV
SEL>>
(464.146m,3.2311K)
Speed and Torque Characteristics At 140Arms- Simulation Results
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 24
Fig. 8 Speed and Torque Characteristics at Load=140Arms
The Load 140(Arms) is Rated Continuous Current
Tphe: Electric torque produced by each phase
RPM
Lb-in
Reference of Phase U
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Time
0.5s 1.0s100*( (RMS(V(U,N0))*RMS(I(RU))) / (RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))) )
0
50
100
(962.500m,81.941)
RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))0W
10KW
20KW
SEL>>
(960.616m,13.662K)
Power Output and Efficiency Characteristics At 140Arms- Simulation Results
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 25
Fig. 9 Power Output and Efficiency Characteristics at Load=140Arms
At Load=140Arms, Power Output ≈ 13.7 [KW]
At Load=140Arms, Efficiency ≈ 82 [%]
Watt
[%]
Reference of Phase U
1.ACモーター駆動制御シミュレーション1.1 コンセプトキットを活用した事例
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 26
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
PSpice VersionLTspice Version
Parameter SettingsIf there is no measurement data, the default value will be used:
Rm: motor winding resistance []Lm: motor winding inductance [H]
Data is given by D.C. motor spec-sheet:
V_norm: normal voltage [V]
mNm: normal load [mNm]
kRPM_norm: speed at normal load [kr/min]
I_norm: current at normal load [A]
Load Condition:
IL: load current [A]
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 27
Model Parameters:
D.C. Motor model and Parameters with Default Value
-+
U 1S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 1L m = 1 0 0 u
I _ n o rm = 6 . 1
m N m = 1 9 . 6V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 4
I L = 6 . 1
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
D.C. Motor Specification (Example)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 28
-+
U 1S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 1L m = 1 0 0 u
I _ n o rm = 6 . 1
m N m = 1 9 . 6V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 4
I L = 6 . 1 D.C. Motor Specification Parameters are input
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
00
V M
V I M
V 1
V 2 = V O U TT2 = 0 . 0 1 m
PARAMETERS:V O U T = 1 0 . 2 5
R s = 0 . 5
R SR s
-+
U 1S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 1L m = 1 0 0 u
I _ n o rm = 6 . 1
m N m = 1 9 . 6V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 4
I L = 6 . 1
•*Analysis directives: • .TRAN 0 400m 0 0.1m •.PROBE V(*) I(*) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 29
Current Sensing
Simplified D.C. Motor with RS-540SH Spec.
Input the Supply No Load Voltage* and Series Resistance
Simulation Circuit and Setting
*No Load Voltage is adjusted until the D.C. motor voltage (VM) equals to the normal voltage (7.2V). Load Condition IL=I_norm
Motor Start Up Simulation at Normal Load (1/3)
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Motor Start Up Simulation at Normal Load (2/3)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 30
Select “All” for the Voltages and Currents Data Collection Options.
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Motor Start Up Simulation at Normal Load (3/3)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 31
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms 240ms 280ms 320ms 360ms 400msI(VIM)
0A
10A
20AV(VM)
0V
5V
10V
SEL>>
I(X_U1.V_kRPM)0A
10A
20AV(X_U1.TRQ)
0V
40V
80V
D.C. Motor Current = 6.1A
D.C. Motor Voltage = 7.2V
D.C. Motor Speed = 14.4krpm
Torque Load= 19.6mNm
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
•*Analysis directives: • .TRAN 0 400m 0 0.1m •.PROBE V(*) I(*) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 32
Current Sensing
Simplified D.C. Motor with RS-540SH Spec.
Input the Supply No Load Voltage* and Series Resistance
Simulation Circuit and Setting
*No Load Voltage is adjusted until the D.C. motor voltage (VM) equals to the normal voltage (7.2V). Load Condition IL=I_norm
Motor Start Up Simulation at Half of Normal Load (1/2)
00
V M
V I M
V 1
V 2 = V O U TT2 = 0 . 0 1 m
PARAMETERS:V O U T = 1 0 . 2 5
R s = 0 . 5
R SR s
-+
U 1S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 1L m = 1 0 0 u
I _ n o rm = 6 . 1
m N m = 1 9 . 6V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 4
I L = 3 . 0 5
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms 240ms 280ms 320ms 360ms 400msI(VIM)
0A
10A
20AV(VM)
0V
5V
10VI(X_U1.V_kRPM)
0A
10A
20A
SEL>>
V(X_U1.TRQ)0V
40V
80V
Motor Start Up Simulation at Half of Normal Load (2/2)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 33
D.C. Motor Current = 3.05A
D.C. Motor Voltage = 8.725V
D.C. Motor Speed = 18.4krpm
Torque Load= 9.8mNm
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
-+
U 2S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 5 7 6L m = 1 6 5 u
I _ n o rm = 2 . 9
m N m = 9 . 8V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 2
I L = 0 . 6NC
NC
NCA
K
VCC
VO
GND
U 1
TL P 3 5 0
V 1
TD = 0
TF = 1 0 nP W = 1 9 9 . 9 9 uP E R = 4 0 0 u
V 1 = 0
TR = 1 0 n
V 2 = 1 . 8
0
R 11 u
0
V c c1 5 V
0
V C C
V D D
0
R G1 2 0
0
D G T1 0 J 3 2 1 _ sD 3
V C C
V d d1 5 V
V D D
0D 4 0 0 1D 2
U 3G T1 0 J 3 2 1
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 34
Simplified D.C. Motor with RS-380PH Spec at No load.
Simulation Circuit and Setting
No load IL=0.6
Application Example (1/3)
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Time
-100ms 0s 100ms 300ms 500ms 700ms 900ms1 I(U2:1) 2 V(U2:1,U2:2)
-2A
0A
2A
4A
6A
8A
10A
12A
14A1
-60V
-50V
-40V
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V2
>>
Application Example (2/3)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 35
Measurement Simulation
Motor Current (2A/Div)
Motor Voltage (10V/Div)
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Time
898.0ms 898.4ms 898.8ms 899.2ms 899.6ms1 I(U3:C) 2 V(U3:C) 3 V(U3:G)
-2A
0A
2A
4A
6A
8A
10A
12A
14A1
>>-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
30V
40V
50V2
-60V
-50V
-40V
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V3
Application Example (3/3)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 36
Measurement Simulation
IGBT: VGE
IGBT: VCE
IGBT: IC
IGBT: VGE (10V/Div)
IGBT: VCE (10V/Div)
IGBT: IC (2A/Div)
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Time
898.0ms 898.4ms 898.8ms 899.2ms 899.6ms1 I(U3:C) 2 V(U3:C) 3 V(U3:G)
-2A
0A
2A
4A
6A
8A
10A
12A
14A1
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
30V
40V
50V2
-60V
-50V
-40V
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V3
>>
Winding Characteristic Parameters: Lm
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 37
-+
U 2S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 5 7 6L m = 1 6 5 u
I _ n o rm = 2 . 9
m N m = 9 . 8V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 2
I L = 0 . 6
Winding Characteristic: Lm
Motor Spec.
Load Condition
Lm=165u
Lm=100uThe Motor Current Waveform is changed
by the Lm values.
Lm=165u
Lm=100u
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Winding Characteristic Parameters: Rm
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 38
-+
U 2S M P L _ D C _ M O TO RR m = 0 . 5 7 6L m = 1 6 5 u
I _ n o rm = 2 . 9
m N m = 9 . 8V _ n o rm = 7 . 2
k R P M _ n o rm = 1 4 . 2
I L = 0 . 6
Winding Characteristic: Rm
Motor Spec.
Load Condition
Rm=0.576
Rm=0.1
The Motor Start-up is Current changed by the Rm values.
2.DCモーター駆動制御シミュレーション2.1 シンプルモデルを活用して自分の必要な SPICE モデルを作成する
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 39
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
U 1 01 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
Unipolar Stepping Motor Drive Circuit Simulation PSpice Version
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 40
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
PSpice Version only
Contents1. Concept of Simulation2. Unipolar Stepping Motor Drive Circuit3. Unipolar Stepping Motor4. Switches5. Signal Generator6. Hysteresis-Based Current Controller7. Unipolar Stepping Motor Drive Circuit (Example)
7.1 One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A7.2 Two-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A7.3 Half-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
8. Drive Circuit Efficiency
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 41
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 42
Driver Unit:(e.g. Hysteresis-Based Controller)
Parameter:• I_SET• HYS
Switches(e.g. FET, Diode)
Parameter:• Ron
Stepping Motor
Parameter:• L• R
Control Unit (e.g. Microcontroller)
Sequence:• One-Phase• Two-Phase• Half-Step
U ?1 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?2 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?H A L F -S TE PP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U ?U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
Models:
Block Diagram:
D I O D ED 1
0
+
-
+
-
S 1
SR O N = 1 0 m
V C C
C t rl_ A A
Concept of Simulation
U 2
A N D
+
-
REF
-+
FB.
U 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C t r l_ AF A
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
2.Unipolar Stepping Motor Drive Circuit
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 43
Signal generator Hysteresis Based Current Controller
Switches Unipolar Stepping Motor Supply Voltage
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
U 1 01 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Unipolar Stepping Motor
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 44
• The electrical equivalent circuit of each phase consists of an inductance of the phase winding series with resistance.
• The inductance is ideal (without saturation characteristics and the mutual inductance between phases)
• The motor back EMF is set as zero to simplified the model parameters extraction.
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
Input the inductance and resistance values (parameter: L, R) of the stepping motor, that are usually provided by the manufacturer datasheet, to generally model the phase winding.
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Switches
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 45
• A near-ideal DIODE can be modeled by using spice primitive model (D), which parameter: N=0.01 RS=0.
• A near-ideal MOSFET can be modeled by using PSpice VSWITCH that is voltage controlled switch.
D I O D ED 1
0
+
-
+
-
S 1
SR O N = 1 0 m
V C C
C t rl_ A A
The parameter RON represents Rds(on) characteristics of MOSFET, that are usually provide by the manufacturer datasheet. The value could be about 10m to 10 ohm.
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Signal Generator
The signal generators are used as a microcontroller capable of generating step pulses and direction signals for the driver.
There are 3 useful stepping sequences to control unipolar stepping motor
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 46
One-Phase (Wave Drive)•Consumes the least power. •Assures the accuracy regardless of the winding imbalance.
Two-Phase (Hi-Torque)•Energizes 2 phases at the same time. •Offers an improved torque-speed result and greater holding torque.
U ?1 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?2 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?H A L F -S TE PP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Half-Step•Doubles the stepping resolution of the motor. •Reduces motor resonance which could cause a motor to stall at a resonant frequency. •Please note that this sequence is 8 steps.
Input PPS (Pulse Per Second) as a clock pulse speed(frequency).
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
One-Phase Sequence
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 47
Time
0s 40ms 80msV(/FB)
0V
5.0V
SEL>>
V(FB)0V
2.5V
5.0VV(/FA)
0V
2.5V
5.0VV(FA)
0V
2.5V
5.0VV(CLK)
0V
2.5V
5.0V
ON
ON
ON
ON
Clock
Phase A
Phase /A
Phase B
Phase /B
1 Sequence
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 40ms 80msV(/FB)
0V
5.0V
SEL>>
V(FB)0V
2.5V
5.0VV(/FA)
0V
2.5V
5.0VV(FA)
0V
2.5V
5.0VV(CLK)
0V
2.5V
5.0V
Two-Phase Sequence
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 48
ON
ON
ON
ON
1 Sequence
Clock
Phase A
Phase /A
Phase B
Phase /B ON
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 80ms 160msV(/FB)
0V
5.0V
SEL>>
V(FB)0V
2.5V
5.0VV(/FA)
0V
2.5V
5.0VV(FA)
0V
2.5V
5.0VV(CLK)
0V
2.0V
4.0V
Half-Step Sequence
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 49
ON
ON
ON
1 Sequence
Clock
Phase A
Phase /A
Phase B
Phase /B ON
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
6.Hysteresis-Based Current Controller
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 50
• Controlled by the signal from the microcontroller.
• Generate the switch (MOSFET) drive signal by comparing the measured phase current with their references.
Input the reference value at the I_SET (e.g. I_SET=0.5A) to set the regulated current level. The hysteresis current value is set at the VHYS (e.g. VHYS=0.1A).
U 2
A N D
+
-
REF
-+
FB.
U 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = 0 . 5V H Y S = 0 . 1
C t r l_ AF A
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
U 1 01 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 51
*Analysis directives: .TRAN 0 40ms 0 10u
One-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms1 V(/FB) 2 -I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 -I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(/FA) 2 -I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(FA) 2 -I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 52
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
U 1 02 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Two-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 53
*Analysis directives: .TRAN 0 40ms 0 10u SKIPBP .OPTIONS ITL4= 40
Two-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms1 V(/FB) 2 -I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 -I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(/FA) 2 -I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(FA) 2 -I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
Two-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 54
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
U 1 0H A L F -S TE PP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Half-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 55
*Analysis directives: .TRAN 0 80ms 0 10u SKIPBP .OPTIONS ITL4= 40
Half-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms1 V(/FB) 2 -I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 -I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(/FA) 2 -I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
1 V(FA) 2 -I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
0.5A
1.0A2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
Half-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 56
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
B
Bc om
A
/B
A c om
/A
U 1U N I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 2 . 5 MR = 4 . 2
U 8
A N D
U 9
A N D
R 11 k
0
F B
D I O D ED 1
D I O D ED 2
D I O D ED 3
D I O D ED 4
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
B
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
0
U 1 01 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
0
0
U 6
A N D
F A
+
-
REF
-+
FB.
U 2
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F A
/ F B
V C C
+
-
REF
-+
FB.
U 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
REF
-+
FB.
U 4
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ B
/ A
+
-
+
-
S 4
SR O N = R O N
A
+
-
REF
-+
FB.
U 5
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C L K
+
-
+
-
S 1
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 2
SR O N = R O N
+
-
+
-
S 3
SR O N = R O N
V C C
V C C V C C
0
V C C
V c c1 2
V C C
V C C
U 7
A N D
W
W
Drive Circuit Efficiency (%)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 57
*Analysis directives: .TRAN 0 40ms 0ms 10u SKIPBP .STEP PARAM RON LIST 10m, 100m, 1 .OPTIONS ITL4= 40
Half-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms100* AVG(W(U1))/(-AVG(W(Vcc)))
94
96
98
100
Drive Circuit Efficiency (%)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 58
at switches Ron = 10m, (99.6%)
at switches Ron = 100m, (99.3%)
at switches Ron = 1, (95.9%)
Note: Add trace 100*AVG(W(U1))/(-AVG(W(Vcc))) for the Efficiency.
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.1 コンセプトキットを活用したユニポーラ・ステッピングモーター制御回路
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 59
Bipolar Stepping Motor Drive Circuit Simulation
PSpice VersionV C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
B L
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
0
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
A
0
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
F B
C L K
0
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
U 1 51 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 60
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
PSpice Version only
Unipolar Stepping Motor Drive Circuit
Contents1. Concept of Simulation2. Unipolar Stepping Motor Drive Circuit3. Unipolar Stepping Motor4. Switches5. Unipolar Stepping Motor Drive Circuit (Example)
7.1 One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A7.2 Two-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A7.3 Half-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
6. Drive Circuit Efficiency
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 61
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 62
Driver Unit:(e.g. Hysteresis-Based Controller)
Parameter:• I_SET• HYS
Switches(e.g. FET, Diode)
Parameter:• Ron
Stepping Motor
Parameter:• L• R
Control Unit (e.g. Microcontroller)
Sequence:• One-Phase• Two-Phase• Half-Step
U ?1 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?2 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
U ?H A L F -S TE PP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Models:
Block Diagram:
D I O D ED 1
0
+
-
+
-
S 1
SR O N = 1 0 m
V C C
C t rl_ A A
Concept of Simulation
U 2
A N D
+
-
REF
-+
FB.
U 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
C t r l_ AF A A
/A
B/B
U ?B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Signal generator Hysteresis Based Current Controller V C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
B L
0
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
0
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
A
0
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
F B
C L K
0
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
U 1 51 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Bipolar Stepping Motor Drive Circuit
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 63
Bipolar Stepping Motor Supply VoltageH-Bridge Switches (Driver)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Bipolar Stepping Motor
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 64
• The electrical equivalent circuit of each phase consists of an inductance of the phase winding series with resistance.
• The inductance is ideal (without saturation characteristics and the mutual inductance between phases)
• The motor back EMF is set as zero to simplified the model parameters extraction.
Input the inductance and resistance values (parameter: L, R) of the stepping motor, that are usually provided by the manufacturer datasheet, to generally model the phase winding.
A
/A
B/B
U ?B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Switches
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 65
• A near-ideal DIODE can be modeled by using spice primitive model (D), which parameter: N=0.01 RS=0.
• A near-ideal MOSFET can be modeled by using PSpice VSWITCH that is voltage controlled switch.
• MOSFETs are used as a H-Bridge.
The parameter RON represents Rds(on) characteristics of MOSFET, that are usually provide by the manufacturer datasheet. The value could be about 10m to 10 ohm.
OU
I
O L
U 2
G D R V
OU
I
O L
U 3
G D R V
+
-
+
-
S 1
S0
V C C
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
S
R O N = 1 0 m
D I O D ED 2
A L
0
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
C t rl_ A
C t r l_ / A
A
/ A
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
V C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
0
B L
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S0
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
0
A
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
C L K
0
F B
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
U 1 51 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 66
*Analysis directives: .TRAN 0 80ms 0 10u SKIPBP .OPTIONS ITL4= 40
One-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms1 V(/FB) 2 I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(/FA) 2 I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(FA) 2 I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 67
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Two-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 68
*Analysis directives: .TRAN 0 80ms 0 10u SKIPBP .OPTIONS ITL4= 40
V C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
0
B L
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S0
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
0
A
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
C L K
0
F B
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
U 1 52 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
One-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms1 V(/FB) 2 I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(/FA) 2 I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(FA) 2 I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 69
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
V C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
U 1 5H A L F -S TE PP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
0
B L
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S0
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
0
A
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
C L K
0
F B
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
Half-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 70
*Analysis directives: .TRAN 0 160ms 0 10u SKIPBP .OPTIONS ITL4= 40
One-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms1 V(/FB) 2 I(U1:/B)
0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
SEL>>SEL>>
1 V(FB) 2 I(U1:B)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(/FA) 2 I(U1:/A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
1 V(FA) 2 I(U1:A)0V
2.5V
5.0V1
0A
500mA2
>>
V(CLK)0V
2.5V
5.0V
One-Phase Sequence Drive, IPHASE=0.5A, IRIPPLE=0.1A
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 71
Clock
Phase A Current
I_SET=0.5A
I_HYS=0.1A
Phase /A Current
Phase B Current
Phase /B Current
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
V C C
0
V c c1 2
A
/A
B/B
U 1B I -P O L A R _ S TE P _ M O TRL = 1 0 mR = 8 . 4
OU
I
O L
U 2
G D R V
+
-
+
-
S 7S
V C C
0D I O D ED 7
/ B U
+
-
+
-
S 8
SD I O D ED 8
/ B L
0
OU
I
O L
U 3
G D R V
OU
I
O L
U 5
G D R V
B
+
-
REF
-+
FB.
U 1 1
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
/ F B
+
-
REF
-+
FB.
U 7
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
F A
+
-
+
-
S 5
S
V C C
0D I O D ED 5
B U
+
-
+
-
S 6
SD I O D ED 6
0
B L
PARAMETERS:R O N = 1 0 m
+
-
+
-
S 1
S0
V C C
PARAMETERS:I _ S E T = 0 . 5
V H Y S = 0 . 1
+
-
REF
-+
FB.
U 1 3
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
D I O D ED 1
A U
+
-
+
-
S 2
SD I O D ED 2
A L
0
A
+
-
REF
-+
FB.
U 9
H Y S _ I -C TR L
I _ S E T = I _ S E TV H Y S = V H Y S
+
-
+
-
S 3S
V C C
0D I O D ED 3
/ A U
+
-
+
-
S 4
SD I O D ED 4
/ A L
0
U 8
A N D
U 1 0
A N D
U 1 2
A N D
U 1 4
A N D
/ F A
R 11 k
C L K
0
F B
OU
I
O L
U 4
G D R V
/ A
/ B
U 1 52 -P H A S EP P S = 1 0 0
C L KF A
/ F A
F B
/ F B
Drive Circuit Efficiency (%)
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*Analysis directives: .TRAN 0 80ms 0 10u SKIPBP .STEP PARAM RON LIST 10m, 100m, 1 .OPTIONS ITL4= 40
One-Phase Step Sequence Generator (100 pps)
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
Time
10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms100*AVG(W(U1))/(-AVG(W(Vcc)))
85
90
95
100
Drive Circuit Efficiency (%)
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at switches Ron = 10m, (99.7%)
at switches Ron = 100m, (99.8%)
at switches Ron = 1, (86%)
Note: Add trace 100*AVG(W(U1))/(-AVG(W(Vcc))) for the Efficiency.
3.ステッピングモーター駆動制御シミュレーション3.2 コンセプトキットを活用したバイポーラ・ステッピングモーター制御回路
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4.モーター駆動制御関連のデバイスモデリングサービスのご案内
http://ow.ly/kbfi2
http://ow.ly/kbftS
http://ow.ly/kbfCy
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4.モーター駆動制御関連のデバイスモデリングサービスのご案内
インバータ回路のスイッチングデバイス
IGBT+FWDSiC MOSFET+SiC SBDPower MOSFET+Body Diode
SiC デバイスのドライバ IC
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4.モーター駆動制御関連のデバイスモデリングサービスのご案内デバイスモデリング教材のご案内
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