メカトロニクス情報誌
2018 年 9 月 1 日 発行ǊƔƱǖᡫ̮新電元メカトロニクス株式会社

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Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

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＜ 比例ソレノイドの制御＞
比例ソレノイドは、通電電流によって出力が制御できるように設計されています。前号（めかとろ通信 第 28号）ではその原理や応用例について説明しました。その中で、駆動には一般のソレノイドと異なるテクニックが必要であることを示しました。
今回は、その中から比例ソレノイドを駆動して制御するために必要な考え方と、その具体的な方法を説明します。
比例ソレノイドの推力は電流で制御しますから、電流は精密に制御しなければなりません。また、比例ソレノイドには特有の問題があるので、これを解決するために一工夫が必要です。
比例ソレノイド特有の問題とは、ヒステリシスです。具体的には、電流の上昇と下降で得られる推力に生じる差、同じ電流でも位置が変化した際の往路と復路に生じる差です。
これが、精度、制御性に大きく関わります。そして、これを解決する手段がディザを加えた駆動方法です。
これらを順に説明します。

ẚ ౛ 儡 児 儲 儈 儭 僔 ไ ᚚ■１. 摩擦抵抗とその対策モータは常に回転していますので、モータを速度制御するて、摩擦を低減するには静摩擦でなく動摩擦となるように常場合、軸受に発生する摩擦抵抗は動摩擦になります。一方、に動かしていればよく、可動子に微振動を加える対策が有効

比例ソレノイドにより位置制御する場合には、移動を開始すで、一般的に用いられています。この微振動のことをディザるまでの静止期間では静摩擦が発生し、移動を開始すると動と呼んでいます。ディザは負荷の性質やシステムとしての要摩擦に移行します。目的位置に到達すると再び静摩擦となり求から最適値がそれぞれ異なり、応用ごとに判断して決定すます。

ることが必要です。あまりに大きなディザは軸受など可動部摩擦に関する物理現象は完全には解明されていないようでの寿命に影響する可能性もあります。

すが、静摩擦＞動摩擦であることは良く知られています。従っShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

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＜ 比例ソレノイドの制御＞■２. ディザによる特性改善
す。
ひとつは位置を制御するものです。ソレノイドの発生推力と、負荷となるバネの反力をバランスさせることで位置制御を行います。ソレノイドは電流を制御することで任意の推力を得られますから、結果として位置を制御できます。この様᥎ຊ 㼇㻺㼉

比例ソレノイドの使用方法は、大きく２種類に分類されま㼀㼥㼜㼕㼏㼍㼘㻌㼐㼍㼠㼍䝕䜱䝄 䠖 㻜㻚㻞㻭㻼㻙㻼㻌㻝㻞㻡㻴㼦䝇䝖䝻䞊䜽 䠖 㻜㻚㻡㼙㼙㻞㻜

子を表したものが、ストローク vs 推力特性となります。（めかとろ通信 第 28 号をご参照ください）
このとき、軸受その他の摩擦抵抗が、電流の増減による負荷の駆動にヒステリシスを生じさせることになります。そこへディザを加えて摩擦抵抗を低減させると、このヒステリシ㻝㻜᥎ຊ 㼇㻺㼉スを縮小させることができます。

㼀㼥㼜㼕㼏㼍㼘㻌㼐㼍㼠㼍䝕䜱䝄 䠖 㻜㻚㻞㻭㻼㻙㻼㻌㻝㻞㻡㻴㼦㻞㻜㻜㻚㻝㻌㻌㻌㻌㻌㻜㻚㻞㻌㻌㻌㻌㻌㻜㻚㻟㻌㻌㻌㻌㻌㻜㻚㻠㻌㻌㻌㻌㻌㻜㻚㻡㻌㻌㻌㻌㻌㻜㻚㻢㻌㟁ὶ 㼇㻭㼉ᅗ㸰ࠉẚ౛ࢯࣞࣀ࢖ࢻࠉ㟁ὶ  ᥎ຊ≉ᛶ䚷䚷䚷䚷䚷䚷㻜㻚㻡㻭䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷㻜㻚㻠㻭㻌㻝㻜䚷㻜

このため、推力制御のためには摩擦抵抗の低減だけでなく磁気ヒステリシスの改善が必要です。
ディザはこの問題に対しても効果があります。ディザを得㻜㻚㻟㻭㻌るための駆動電流の変動はマイナーループと呼ばれる小さなループを描きます。このマイナーループの平均値で、ソレノイドの推力が決まります。マイナーループはメインの B-Hカーブの内側に位置することから、ヒステリシスを低減する㻜㻚㻞㻭䚷㻜䠄྾╔ഃ䠅㻝㻌㻌㻌㻌䚷䚷䚷㻌䚷䚷䚷䚷䚷㻞䝇䝖䝻䞊䜽 㼇㼙㼙㼉ᅗ㸯ࠉẚ౛ࢯࣞࣀ࢖ࢻࠉࢫࢺ࣮ࣟࢡ  ᥎ຊ≉ᛶ
もうひとつは、任意の位置において発生する推力を制御するもので、負荷に与える押圧力をコントロールすることになります。ソレノイドの発生推力は駆動電流で制御できますので、電流による押圧力の制御が可能です。この特性を示すの効果があります。
磁気ヒステリシスは、位置制御にも同じように影響しています。このように、ディザの効果は機械的な摩擦の低減と磁気特性の改善として得ることができます。

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が、電流 vs 推力特性となります。推力制御は位置制御と同じように電流の増減に伴いヒステリシスが生じますが、しかୖ᪼

し位置の変化はごくわずかなため摩擦抵抗の影響は少ないはずです。推力制御で発生するヒステリシスには摩擦抵抗以外䠤㸸☢ሙ>䠝㻛䡉@の別の要因が考えられます。

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ソレノイドを構成する磁極は鉄系の磁性材料で作られています。磁性材料の磁気特性は B-H カーブに代表される特性で㸦ᑠࡉ࡞࣮ࣝࣉࢆᥥࡃ㸧

表されますが、ここにヒステリシスが存在します。磁気ヒステリシスのため駆動電流の上昇時と下降時で異なる推力が発䠞㻙䠤࣮࢝ࣈ㸦ᐇ

生することになり、これがヒステリシスの原因となるのです。

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＜比例ソレノイドの制御 ＞■３. 電流の制御
ソレノイドの出力である推力は、コイルに流す電流に比負荷をスイッチングするときに逆起電力対策でフライホ例します。比例ソレノイドの場合には、可動子位置によるイールダイオードを挿入する方法がありますが、PWM 制推力の変動を抑え、電流に対する直線性が良好であるよう御を行うためにはこれが必須となります。このダイオードに配慮された設計が行われています。また、周囲温度の変にはファストリカバリ型の高速のものが適しています。電化やソレノイド自体のコイルの発熱によってコイル抵抗は流容量はソレノイドに流す最大電流を連続で流せるものを変化します。このため一定電圧で駆動している場合には電用います。必要であれば放熱板に取り付けます。VF（順方流が変化してしまいます。電流が変化すると推力も変動し向電圧）の小さいものは損失が少なくなります。耐圧には、てしまいますので、比例ソレノイドは電圧ではなく電流で電源電圧と電源ラインに予測されるノイズの大きさを加え制御するのです。ディザもソレノイドの電流を変化させるたものを目安とします。

ことで得ることになります。
電流値の制御には、コイルに印加する電圧を変化させる㟁※必要があります。アナログ的に電圧を変化させる方法は、精度や速度は高くなりますが、一方で電力損失が大きく得䠢䠡䠰策ではありません。このため、スイッチングで通電率を制㥑ືἼᙧ

御する PWM 制御が広く用いられています。パソコンなどeの小型電源から電車のモータ制御などの大電力制御まで、制御の手段として最もポピュラーな方法となっています。

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簡単に PWM の原理を説明しておきます。PWM は Pulseࢯࣞࣀ࢖ࢻ

Width Modulation の略で、一周期中の通電率を変化するこiとにより、等価的に出力を制御するものです。出力を制御する素子には FET やトランジスタが用いられ、ON またはOFF の完全なスイッチとして使用されます。100% の通電率なら入力＝出力になりますし、50% であればおよそ半分

㟁ὶಙྕ㸦ᚲせ࡞࡜ࡁ㟁ὶ᳨ฟの出力が得られます。0% から 100% の通電率を選択することにより、任意の出力が得られるわけです。
（めかとろ通信 第 12 号をご参照下さい）

ᅗ㸲ࠉࢯࣞࣀ࢖ࢻ㥑ື㒊ࡢᅇ㊰PWM 制御は発生する損失が少ないのも特徴で、特に近年スイッチング特性に優れた FET が容易に入手可能となりま し た。PWM の 損i

失はスイッチング時2.5Aと通電時の ON 抵 抗2.0A

で 決 ま り ま す。ス
イッチング速度はソ1.5A

レノイドの制御では1.0A

それほど問題ではあり ま せ ん が、ON 抵抗は可能な限り低い0.5Aiものを選びます。発e

熱の低減に加え、特10V

0.0A

eに電源電圧の低い車5V

載用途では電圧を有効に使うためにも重0V
㸣

要です。
ソレノイド等のインダクタンスを含む

05

101520㸣
253035404550ms

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＜ 比例ソレノイドの制御＞
ON か OFF か で 制 御 し て、ON 期 間 に は 電 流 が 上 昇 し、決まる制御の周期は制御の単位でもあり、OFF 期間には下降します。この変動をリップルと呼びます。

仮に１秒周期で制御している場合には、そして出力の変化速度は負荷の性質に依存します。ソレノ

出力を変化させることができる周期は１秒で、これ以下にイド負荷の場合には、電流の上昇速度は電源電圧とコイルはできません。の直流抵抗およびインダクタンスで決まります。この値をPWM 周波数を高くするとリップルは減少し応答速度も速時定数といい、t=L/R で求められます。時間にすると数 mSめることができますので、高いほどよさそうですが、磁気から数十 mS 程度です。電流の変化速度は時定数で決まりヒステリシスの対策の為にはリップルが大きいほど効果がますから、PWM 周波数を低くするほどリップルは大きくな大きくなります。これらの条件を総合的に判断して周波数ります。

を決定する必要があります。

PWM 周波数は応答速度にも影響します。PWM 周波数で■４. 電流波形例
100Hz には応答しますので、平均電流に含まれる 100Hz の説明のために PWM 周波数を極端に低く設定したときの変動分で振動し、ディザ効果が得られます。

電 流 波 形（実 測 値）を 示 し ま す（図 ６）。PWM 周 波 数
1kHz、ディザ周波数 100Hz、ディザ振幅 125mAP-P に設定

ここから、PWM による電流リップルはその平均値によりしています。電流波形と、電流波形からローパスフィルタ変動することが分かります。特にゼロに近いときには小さによって速い変動分を除いた波形を重ねてあります。PWM

くなります。これに対して、指令値に重畳したディザ成分周波数が低いので、PWM による電流リップルがかなり大きは平均電流の値に影響されず、一定の値を保っています。

㟁ὶ 㻔㻭㻕

く現れています。ソレノイドは 1KHz では動作しませんが2.5㻼㼃㻹 ࿘Ἴᩘ䝕䜱䝄࿘Ἴᩘ㟁ὶ㟁ὶ 㻔㻸㻼㻲㻕ᖹᆒ 㻝㻚㻥㻭᣺ᖜ 㻜㻚㻝㻞㻡㻭㼜㻙㼜㻻㻺1.5㏻㟁
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᣺ᖜ 㻜㻚㻝㻤㻭㼜㻙㼜ᖹᆒ㟁ὶ࡜ࡑࡇ࡟ྵࡲࢀࡿࢹ勋ࢨᡂศᖹᆒ㟁ὶ࡜㹎㹕㹋࡟ࡼࡿ㟁ὶࣜ勏ࣉࣝ

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468101214᫬㛫 㻔㼙㻿㻕ᅗ㸴ࠉ䠬䠳䠩࡟ࡼࡿࢹ࢕ࢨࡢኚㄪ

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＜ 比例ソレノイドの制御＞■５. ディザ重畳型
ディザ重畳型と呼ばれる方式は、制御の目的となる指令値得られる電流波形は指令値に重畳されたディザ波形と相似にディザとなる振動成分を重畳し、この値で制御することに形になります。ただし、ゼロに近いところではひずみが大きよってソレノイド電流を得るものです。制御はリニア制御でくなり、形が崩れます。
ディザ重畳型は、このように理想に近い効果が得られますも構いませんが、前述のように PWM で効率よく行うことがが、回路がやや複雑になるのが欠点です。PWM 周波数は、リッできます。
まず PWM の制御周期を短く、周波数を高く設定することプルによってソレノイドが応答しない範囲に設定します。たで、リップルを抑えて応答速度を早めに設定しておきます。

だし、前掲の波形例のように 1KHz というような可聴帯域内与えられた目標値に対して、ディザを得るための変動分を加に設定すると、騒音が気になることがあると思います。このえ、これを制御量とすれば、ディザ生成のための変動を含んような場合には周波数を高めて可聴帯域外に設定するようにだ電流が得られます。この変動分をディザ効果の高い周波数します。

や振幅に合わせれば効果的にディザによる特性改善が図れま

スイッチング電源用の PWM コントローラ IC の中には、こす。ディザの周波数、振幅は相互に干渉することもなく自由のために必要な機能を一通り備えているものがあり、工夫次に設定が可能です。

第では簡単な構成で PWM 制御を実現することができます。

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電流 /A

電流の大きさとディザ振幅の変化（重畳型）
2.5

ディザの波形は自由に選択でき、この2例では正弦波としています（図８）。電流

1.5らないことが分かります。ただし、ゼロの平均値が変化してもディザ振幅が変わに近いところや最大電流付近の飽和域近1傍では波形が歪み、期待した振幅が得ら0.5（P-P）を下回る値の場合には、当然一定れなくなります。ゼロ付近のディザ振幅の振幅は確保できません。また、この付

000.01

0.02

0.03

0.04

0.05

時間 /S

近では指令値と電流値の関係の直線性がなくなります。

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＜ 比例ソレノイドの制御＞■６. 簡易型（ PWM 型）
簡易型として用いられているのが、PWM によるリップルの領域でもリップルは減少します。
制御の目的は電流のレベルで、このための手段として通を積極的に使用する方法です。
制御周期を長くするとリップルが大きくなることは先に電率を変化させるわけですが、電流のレベルによってリッ説明しましたが、周波数を低くし、制御周波数を長くするプル量が変化してしまいます。この様子は前掲の電流波形ことであえて大きなリップルを発生させ、このときに得らをご覧ください（図６）。電流リップルの大きさは、電流値れる振動をディザとして使うのが簡易型です。

制御の為のデューティ変化に伴う副次的な現象に依存してリップルの量は制御対象となるソレノイドのインダクタいます。このために理想的なディザ条件にすることはできンスやコイル抵抗と制御周期、電源電圧などによって決まませんが、ディザを発生する為の特別な仕掛けを用意するります。ソレノイドの電流は対数カーブを描きながら上昇必要がなく、回路を簡単に構成することができます。

し、下降時にも対数カーブで変化します。いずれも変化の制御上、最もディザを必要とする付近で必要なディザ量開始時には早く、徐々に変化量が少なくなります。つまり、が得られるように PWM 周波数を調整します。簡易型は一電流の小さな領域では立ち上がりが早くて立ち下りが遅く般的に広く用いられていますが、高精度を求める用途にはなりますが、飽和に近い大きな領域では立ち上りが遅く立ディザ重畳型の検討をお勧めします。

ち下りは早くなるのです。このため、上端、下端のどちら䝕䜱䝄䛿䛣䛾࿘Ἴᩘ䛷Ⓨ⏕䝟䝹䝇ᖜ䛻ኚㄪࢯࣞࣀ࢖ࢻ⏝㟁※
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電流の大きさとディザ振幅の変化（ PWM 型）
電 流 の 大 き さ を 変 化 さ せ た と き、2.5ディザの振幅が変化しています。中間

電流 /A

2域で最も大きくなり、ゼロ付近の時と飽和に近い大きな時で振幅は小さくな1.5ります。
ディザの波形は指定できず、インダ1クティブな負荷の電流上昇カーブと下0.5降カーブの一部をなぞる形になります。また、指令値に対する応答性は重

00

0.01

0.02

0.03
時間 /S

0.04

0.05

畳型に比べて劣ります（ PWM の周期に依存します）。

ᅗ 㻝㻜䚷䠬䠳䠩㻌ᆺ䛻䜘䜛䝕䜱䝄Ἴᙧ

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＜比例ソレノイドの制御 ＞■７. パラメータ設定の目安
ディザのパラメータの設定は制御対象となるソレノイドのヒステリシス改善だけでなく、磁気ヒステリシスの改善が重性能や負荷の性質によって大きく変化しますので、実稼動状要です。この場合には電流の振幅を大きくとることが必要で、態での調整、確認が欠かせません。ここでは、何を目安としシャフトの振動振幅は小さくても良く、PWM による電流リッたらいいかを考えます。

プルでも、ディザによる変動でも構いませんので、電流の振位置制御をする場合には機械的なヒステリシスの改善が目的になります。摩擦抵抗の低減のために、摩擦が動摩擦とな幅を稼いでください。ここでも、騒音等に注意しながら決定します。

るように振動を加えます。動摩擦力は、その移動速度への依

ソレノイドはインダクタンスのために電流の変化速度が制存性が非常に弱いことが知られています。つまり、ディザの約を受けます。この変化を速めるには、電源電圧を高めるか、周波数は効果を考える上では重要ではありません。確実に振定格電圧が低く抵抗値の低いコイルを使用するのが効果的で幅が得られる設定とすることが重要です。ソレノイドの応答す。ただし、誤って連続通電をしたとき、大きな電力でコイ性は、そのサイズや構造によって異なります。また、負荷のル焼損とならないように対策が必要です。

戻しバネの定数にも影響します。一般的なソレノイドを用いPWM のみによる簡易型では自由な設定ができませんので、る場合には、周波数を 100Hz から 300Hz 程度にして確実に装置の動作上、最も重要と思われるところで適度な振幅が得振動を発生させ、また、その振動によって負荷側に悪影響がられるように周波数を決めます。この状態で、実際の制御範現れないことを目安に振幅を決めます。このとき、あまりに囲内全域での騒音や過大な振動の発生がないことを確認しま

振幅が大きい場合には軸受の寿命への影響が考えられますのす。

で、控えめにしてください。また装置によっては振動が騒音波形の追従性は制御上重要ではありませんが、重畳型での形で現れることがありますので、これも判断材料になりまディザ波形を指定した場合には振幅は矩形波のときが大きくす。

なりやすく、指定波形への追従性は正弦波が良好です。三角

圧力制御の場合には機械的な動きが少ないので、機械的な波はその中間です。

■８. デジタル化
PWM 制御は、手段が ON か OFF かというデジタル値であルダイオードは必ず接続する必要があります。電流の検出手ることから、デジタル化とは相性が良くマイコン等を使用し段は必要に応じて使用することになります。ソレノイドの設積極的に使われるようになっています。マイコンにもそのた置環境がノイズの影響を受けやすいような場合には、フォトめの機能を組み込んだものが発表され、非常に使い勝手がよカプラなどでグランドを分離し絶縁することで、耐ノイズ性くなりました。マイコンの出力ポートにドライブ用の FET や能の向上が期待できます。

トランジスタを接続するだけの構成です。なお、フライホイーࢯࣞࣀ࢖ࢻ࣐࢖ࢥࣥ

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＜ 比例ソレノイドの制御＞■９. PID 制御
PID と は 操 作 量 の 演 算 方 法 を 表 す 文 字 で、ＰはShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

ここまでは比例ソレノイド固有の問題を解決しながら制御を行うための方法について説明してきました。実際

Proportional（比のアプリケーションにおいて比例ソレノイドにより何らDerivative（微分）です。現時点での制御量と目標値とのかの制御を行わせたい場合には、制御対象の制御量を目差である偏差に比例する値をＰ、過去の偏差の累積を現標値に対してフィードバック制御することが多いと思いすＩ、現時点での偏差の変化傾向から求まるＤの各値かます。それには、目標値に対する制御量の偏差から演算ら演算・加算して補正の為の操作量を決定します。広いして操作量を決め、この値で比例ソレノイドの通電電流分野で使用されていることからも分かるように、その適を決定することになります。この操作量の演算方法とし応範囲は極めて広く、ほとんどの制御対象に対して十分て、PID 制御と呼ばれる手法がよく使われます。これは制な調整能力を持っています。コントローラの型式がアナ御工学におけるフィードバック制御手法の一種です。出

ログからデジタルに移行しつつある現在においてもその力と目標の偏差、およびその積分、微分の３点の要素か傾向が変わることはありません。使いこなす上での問題

ら操作量を決める方法です。古典制御とも呼ばれ、長いは各パラメータをどのように設定するかで、これにはい歴史を持っています。一般にプロセス制御の分野で広くくつかの方法が発表されていますが、万能ではなく、制使われ、そのシェアは 90% 以上とも言われており圧倒的御対象の性質によって異なります。ただし、各パラメーです。ここではこの手法についての詳細は説明しません

タの性格は明確で理解しやすいものです。このようにしが、制御理論について解説された資料は容易に入手が可て補正の為の操作量を決め、比例ソレノイドの駆動電流能ですので詳しくはそちらをご参照ください。ここではが求められます。この電流にディザを加えて通電するこ概要のみ説明します。とで制御系が完結します。

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２回にわたり比例ソレノイドの原理と駆動の方法につと幸いです。

いて説明してきましたが、ご理解いただけたでしょうか。
疑問点も多々あると思いますので、遠慮なくお問い合わ■この資料の内容は改良の為、お断り無く変更することがありますのでご了承ください「ǊƔƱǖᡫ̮」に関するお問い合わせは

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