デバイスモデリング研究所: SPICEによるステッピングモーターのデバイスモデリングに関するブリーフィング

2025年9月24日水曜日

SPICEによるステッピングモーターのデバイスモデリングに関するブリーフィング

要旨

本資料は、システムレベルのシミュレーションへの統合を目的とした、SPICEを用いたステッピングモーターのデバイスモデリング手法について詳述する。中核となるアプローチは、実測されたインピーダンス特性を正確に再現する周波数モデルの構築にある。このモデルは、3素子、5素子、ラダーモデルといった異なる複雑度の回路で表現される。さらに、モデルの精度を向上させるため、モーターの回転速度に依存する逆起電力（Back EMF）を考慮した内部電圧依存性が組み込まれている。シミュレーションによる検証では、異なるクロック速度（pps）における相電流の立ち上がり時間を分析し、モデルの動的挙動の妥当性が示されている。このモデリング手法により、システム全体におけるモーターの電気的挙動を忠実に予測することが可能となる。

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1. モデリングの目的とアプローチ

このモデリングプロジェクトの主な目的は、ステッピングモーターの挙動を正確にモデル化し、システム全体のシミュレーションに組み込むことである。これにより、より精度の高い回路設計と検証が可能となる。

対象デバイス: TECO ELEC. & MACH.CO.,LTD.製ユニポーラステッピングモーター 4H4018-X0101
- 定格電圧: DC 12.0 V
- 定格電流: 0.23 A/Phase
- ステップ角: 1.8度
- リード線: 6本
基本手法: 周波数モデルを用いて、モーターのインピーダンス特性を再現する。

2. 周波数モデルの開発と拡張

モデリングの中核は、モーターの電気的特性を周波数領域で正確に捉えることにある。これには、基本的なインピーダンスモデルの構築と、モーターの動作状態を反映する動的要素の追加が含まれる。

2.1 インピーダンス特性の整合

モーターのコイル巻線インピーダンスは、モデルの基本特性を決定する重要なパラメータである。

測定: 高精度インピーダンスアナライザ（Agilent 4294A）を用いて、実際のモーターのインピーダンス対周波数特性を測定する。
モデル構築: 測定データとシミュレーション結果が一致するように、SPICEモデルを構築する。この際、要求される精度に応じて、単純な3素子モデルから、より広帯域をカバーするラダーモデルへとモデルの複雑度を上げていく。
結果: 提示されたグラフでは、シミュレーションモデルが広範な周波数帯域（100 Hzから10 MHz以上）にわたり、測定されたインピーダンス特性と高い整合性を示している。

2.2 内部電圧依存性（逆起電力）の組み込み

静的なインピーダンス特性に加え、モーターの回転によって生じる動的な要素をモデルに組み込むことが不可欠である。

逆起電力（Back EMF）: モーターの回転速度に比例して発生する電圧であり、電流の流れに影響を与える。
モデルへの実装: 周波数モデルに逆起電力を表す電圧源（AEMF）を追加する。
目標: 最終的に、モーターの回転速度（pps）を入力として逆起電力の電圧値を決定する関数をモデル内に作成し、より現実に即したシミュレーションを実現することを目指す。

3. シミュレーションによるモデル検証

開発されたモデルの妥当性を検証するため、具体的な駆動回路を用いたシミュレーションが実施される。

3.1 シミュレーション回路構成

検証には、ステッピングモーターを駆動するための代表的な回路が使用される。

駆動回路: 理想的なMOSFETを使用したHブリッジ回路が例示されている。モーターモデルは、この駆動回路に接続される。
制御信号: モーターモデルの速度は、PARAMETERS: pps=で設定されたクロック信号に同期して制御される。これにより、任意の速度条件でのシミュレーションが可能となる。
電流制御: さらに、PWMコントローラを用いて相電流を設定値（例：0.100A）に調整する回路も示されている。これにより、実際のアプリケーションに近い条件での検証が行える。

3.2 モーター速度と電流立ち上がり時間の関係

シミュレーションを通じて、モーターの速度が電流の立ち上がり時間に与える影響が分析されている。これは、逆起電力の効果が正しくモデル化されているかを確認するための重要な指標となる。

分析内容: クロックレートを変化させ、各速度における相電流が目標値に達するまでの立ち上がり時間を測定する。
シミュレーション結果: モーターの回転速度が上昇するにつれて、逆起電力の影響が大きくなり、相電流の立ち上がり時間がわずかに増加する傾向が確認された。

速度 (pps)	相電流立ち上がり時間 (µs)
600	172.935
750	173.619
1000	174.773

この結果は、モデルがモーターの動的な電気的挙動を適切に捉えていることを示唆している。

4. 結論

本資料で概説された手法は、SPICEを用いてステッピングモーターのデバイスモデルを体系的に構築するプロセスを示している。このモデルは、実測されたインピーダンス特性を正確に再現する周波数モデルと、モーターの回転速度に依存する逆起電力の要素を統合している。シミュレーションによる検証結果は、モデルが異なる動作条件下でのモーターの動的挙動を忠実に予測できることを裏付けている。この高精度なモデルを活用することで、モーター駆動回路を含む電子システム全体の設計効率と信頼性を大幅に向上させることが期待される。