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ブラシ付きDCモータ用ESCの基本動作原理

1. ESCによるブラシ付きDCモータの速度制御の仕組み

ブラシ付きDCモータ(以下 モータ)に直接バッテリを接続すると回転を始めますが、当然このままではモータの回転速度を変化させることはできません。ESCは、バッテリとモータの間に取り付け、モータにかかる電圧を下図のように制御することで、回転速度を変化させるコントローラです。図
 このような制御法をPWM(Pulse Width Modulation)制御と呼びます。低速域ではONの時間が短く、高速域になるほどONの時間が長くなり、最高速時は常にONとなります。(図中の周期Tの逆数F=(1/T)をPWM周波数《RCの世界ではドライブ周波数と表現することが多い》と呼びます。
 RCの世界では、ESCを“アンプ”と表現することが多いため、その語意(アンプ=amplifier=増幅器)から、“ESC(アンプ)はバッテリから供給される電圧(電流)を増幅してモータに供給する電子機器”と認識されている方がおられますが、これは誤りです。あくまでESCは『バッテリの電圧を超高速でON/OFF制御して小刻みにモータに伝え、送信機のスロットル位置に応じて電圧ONの時間を変化させることで、モータの回転スピードをコントロールする電子機器』であり、バッテリが発生する電圧・電流以上のものをモータに供給するわけではありません。では、なぜESCによってスピードや走行のフィーリングが変わるのでしょうか。次項にてその疑問にお答えします。
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2.ESCによって“走り”が変わる理由

1.最高速(回転数)が変化する理由
 ESCを換えたことで最高速(回転数)が変化したことを実感された方は多いでしょう。その理由には、モータが持つ次の基本特性が関係しています。
モータは電圧が高いほど回転数が上がる  つまり、ESCによってモータに加わる電圧が変わるということになります。ここで重要になるのが、ESCのON抵抗値です。ON抵抗値が低いほど、ESC内での電圧降下は小さくなります。
 バッテリからモータに電圧が伝わる際、モータに加わる電圧は次のように低下(降下)します。モータに加わる電圧 = バッテリ電圧 − ESC(コード部含む)で降下(消費)した電圧 即ち、抵抗値が低い(=ESC内での消費電力が小さい)ESCほどモータの回転数も上がるというわけです。また、コード類の電気抵抗も重要となるため、弊社製ESCでは、極細・高密度芯線(=低電気抵抗)を用いたケーブルを採用し、無駄な電圧降下を抑えています。
 余談となりますが、消費電力が小さいということから、(1)発熱が少ない、(2)バッテリの持続時間が長い、というさらなる2つのメリットが生まれ、発熱が少ないという点から、温度上昇による金属抵抗の増加(=いわゆる「熱ダレ」の原因)を最小限に抑えられる、というメリットも加わります。

2.加速感の変化
 最高速と同様、ESCのON抵抗値によるところも大きいのですが、“加速のスムーズさ(思い通りの速度にコントロールするリニアなフィーリング)”に焦点を当てた場合、制御回路の性能が大きくモノを言います。弊社ESCはいずれも高性能な制御回路を搭載していますが、ハイエンドモデルであるRAPIDAシリーズにはさらに優れた制御回路を搭載していますので、極めてスムーズな加速感を体感していただけます。
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3.ドライブ周波数の変化がモータの電圧に与える影響

1.最高速(回転数)が変化する理由
 次に、“ドライブ周波数を変化させることとはどういうことか”を説明します。同じ速度(スロットル位置)においてドライブ周波数を変化させたときのモータにかかる電圧を以下に示します。図
 このように、ドライブ周波数を小さくすると、1周期内での電圧ON及びOFFの時間が共に長くなり、ドライブ周波数を大きくするとその逆になります。
 ドライブ周波数が小さいときは1周期内での電圧ONの時間が長いため、瞬時に大きな加速力(大きな電流)を得ることができますが、OFF(惰性で回転する時間)の時間も長いため、微妙な速度調整が難しくなります。逆に、ドライブ周波数が大きいときは、1周期内での電圧ONの時間が短いため、瞬間的な加速力は物足りなくなりますが、OFFの時間も短いため、微妙な速度調整が可能となります。
 このように、ドライブ周波数は大小それぞれ一長一短があるため、実際に走行した上でご自身のベストな値を模索してください。(尚、RAPIDAシリーズの取扱説明書の最終ページにて参考設定値を掲載しています。)
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