正確なモーションコントロールの必要性は、ロボット工学、ドローン、医療機器、産業システムなどのアプリケーション全体で高まっています。 ブラシレス DCモーター (BLDC) および AC 駆動永久磁石同期モーター (PMSM) は、必要な精度を実現しながら、コンパクトなフォームファクターでの高効率のニーズにも対応します。 ただし、簡単に接続して実行できるブラシ付き DC モーターや AC 誘導モーターとは異なり、BLDC と PMSM ははるかに複雑です。
たとえば、特にセンサーレスベクトル制御（フィールド指向制御、またはFOCとも呼ばれる）などの手法は、優れた効率と、 センサー ハードウェアにより、コストを削減し、信頼性を向上させます。 設計者にとっての問題は、センサーレスベクトル制御の実装が複雑であるため、その使用により開発時間が長くなり、コストが増加し、市場投入までの時間が失われる可能性があることです。
このジレンマを解決するために、設計者は、センサーレスベクトル制御ソフトウェアがすでに組み込まれている開発プラットフォームと評価ボードに目を向けることができます。これにより、制御ソフトウェアのコーディングのニュアンスにとらわれることなく、システム設計の問題に集中できます。 さらに、これらの開発環境には、完全なシステムに統合されたすべてのモーターコントローラーと電力管理ハードウェアが含まれており、市場投入までの時間を短縮します。
この記事では、精密モーションコントロールのニーズのいくつかを簡単に説明し、ブラシ付きDC、AC誘導、BLDC、およびPMSMの違いを確認します。 次に、Texas Instruments、Infineon Technologies、およびRenesas Electronicsのいくつかのプラットフォームと評価ボードを紹介する前に、ベクトル制御の基本を要約し、精密モーション制御システムの開発を容易にする設計ガイダンスを示します。
精密モーションコントロールアプリケーションの例
ドローンは複雑な動作制御システムであり、通常は XNUMX つ以上のモーターを使用します。 ドローンがホバリング、上昇、または降下できるようにするには、正確で調整されたモーション制御が必要です。
図 1: ドローンは通常、12,000 回転/分 (RPM) 以上で回転する XNUMX つ以上のモーター (通常は BLDC または PMSM) を使用し、電子速度コントローラー (ESC) によって駆動されます。 この例は ESC を示しています モジュール センサーレス制御のブラシレスモーターを使用するドローンで。 (画像出典: テキサス・インスツルメンツ)
ホバリングするには、ドローンを押し上げるローターの正味推力のバランスが取れていて、ドローンを引き下げる重力と正確に等しくなければなりません。 ローターの推力（速度）を均等に増加させることにより、ドローンはまっすぐに登ることができます。 逆に、ローターの推力を下げると、ドローンが降下します。 さらに、ヨー（ドローンを回転させる）、ピッチ（ドローンを前後に飛ばす）、ロール（ドローンを左または右に飛ばす）があります。
正確で反復的な動きは、多くのロボット工学アプリケーションの特徴の2つです。 静止した多軸産業用ロボットは、さまざまな重量の物体を動かすために、XNUMX次元でさまざまな量の力を提供する必要があります（図XNUMX）。 ロボット内部のモーターは、正確なポイントで可変の速度とトルク（回転力）を供給します。これは、ロボットのコントローラーがさまざまな軸に沿った動きを調整して正確な速度と位置を調整するために使用します。
車輪付き移動ロボットの場合、精密な差動駆動システムを使用して、速度と運動方向の両方を制御できます。 XNUMXつのモーターを使用して、負荷のバランスをとるためにXNUMXつまたはXNUMXつのキャスターホイールとともにモーションを提供します。 XNUMXつのモーターは、回転と方向の変更を実現するために異なる速度で駆動されますが、両方のモーターの速度が同じであると、前方または後方に直線運動が発生します。 従来のステアリングシステムと比較すると、モーターコントローラーはより複雑ですが、このアプローチはより正確で、機械的に単純であるため、信頼性が高くなります。
モーターの選択
基本的なDCモーターとAC誘導モーターは、比較的安価で簡単に駆動できます。 それらは、掃除機から産業機械、クレーン、エレベーターまで、幅広い用途で広く使用されています。 しかし、安価で運転しやすいものの、ロボット工学、ドローン、医療機器、精密産業機器などのアプリケーションに必要な精密な操作を提供することはできません。
シンプルなブラシ付きDCモーターは、整流子とブラシを使用して、回転に合わせて電流の方向を機械的に切り替えることでトルクを生成します。 ブラシ付きDCモーターの欠点には、ブラシの摩耗によるメンテナンスの必要性と、電気的および機械的ノイズの発生が含まれます。 パルス幅変調（PWM）ドライブを使用して回転速度を制御できますが、ブラシ付きDCモーターの本質的な機械的性質により、正確な制御と高効率は困難です。
BLDC では、ブラシ付き DC モーターの整流子とブラシが不要になり、固定子の巻き方によっては PMSM になることもあります。 BLDC モーターではステーター コイルが台形に巻かれており、生成される逆起電力 (EMF) は台形波形になりますが、PMSM ステーターは正弦波状に巻かれており、正弦波逆起電力 (Ebemf) を生成します。
BLDCおよびPMSMモーターのトルクは、電流および逆起電力の関数です。 BLDCモーターは方形波電流で駆動され、PMSMモーターは正弦波電流で駆動されます。
BLDCモーターの機能：
- XNUMX段階の方形波DC電流で制御が容易
- 大きなトルクリップルを発生します
- PMSMよりもコストとパフォーマンスが低い
- ホール効果センサーまたはセンサーレス制御で実装できます
PMSMの機能：
- を使用したより複雑な制御 3相 正弦波PWM
- トルクリップルなし
- BLDCよりも高い効率、トルク、コスト
- シャフトエンコーダまたはセンサーレス制御で実装できます
ベクターコントロールとは何ですか？
ベクトル制御は、三相電気モーターの固定子電流がベクトルで視覚化できるXNUMXつの直交成分として識別される可変周波数モーター駆動制御方法です。 XNUMXつのコンポーネントはモーターの磁束を定義し、もうXNUMXつのコンポーネントはトルクを定義します。 ベクトル制御アルゴリズムの中核には、XNUMXつの数学変換があります。Clarke変換はXNUMX相システムをXNUMX座標系に変更し、Park変換はXNUMX相定常システムベクトルを回転システムベクトルとその逆に変換します。
クラーク変換とパーク変換を使用すると、制御可能な固定子電流が回転子ドメインにもたらされます。 これを行うことにより、モーター制御システムは、動的に変化する負荷の下でトルクを最大化するために固定子に供給されるべき電圧を決定することができます。
高性能の速度および/または位置制御には、位相励起パルスをローター位置に同期させるために、ローターシャフトの位置と速度に関するリアルタイムで正確な知識が必要です。 この情報は通常、モーターのシャフトに取り付けられたアブソリュートエンコーダーや磁気レゾルバなどのセンサーによって提供されます。 これらのセンサーには、信頼性の低下、ノイズの影響を受けやすい、コストと重量の増加、複雑さの増加など、システムにいくつかの欠点があります。 センサーレスベクトル制御により、速度/位置センサーが不要になります。
高性能マイクロプロセッサとデジタルシグナルプロセッサ（DSP）により、最新の効率的な制御理論を高度なシステムモデリングに組み込むことができ、リアルタイムモーターシステムに最適な電力と制御効率を保証します。 マイクロプロセッサとDSPの計算能力の向上とコストの低下の結果として、センサーレス制御は、センサー付きベクトル制御にほぼ普遍的に取って代わり、シンプルでありながらパフォーマンスの低い単一変数スカラーボルト/ヘルツ（V / f）になると予想されます。 ） コントロール。
産業用および民生用ロボット用の三相PMSMおよびBLDCモーターの駆動
ベクトル制御の複雑さを回避するために、設計者は既製の評価ボードを使用できます。 たとえば、Texas Instruments の DRV8301-69M-KIT は、設計者が三相 PMSM/BLDC モータ駆動ソリューションの開発に使用できる DIMM100 controlCARD ベースのマザーボード評価モジュールです (図 4)。 デュアル電流シャントアンプと降圧回路を備えた DRV8301 三相ゲートドライバが含まれています レギュレーター、InstaSPIN 対応 Piccolo TMS320F28069M マイクロコントローラー (MCU) ボード。
DRV8301-69M-KIT は、InstaSPIN-FOC および InstaSPIN-MOTION Texas Instruments です テクノロジー回転三相 PMSM および BLDC モーター用の、ベースのモーター制御評価キット。 InstaSPIN を使用すると、DRV8301-69M-KIT を使用すると、開発者は三相モーターを迅速に識別、自動調整、制御でき、「瞬時に」安定した機能的なモーター制御システムを提供できます。
DRV8301-69M-KITは、InstaSPINテクノロジーとともに、高性能、電力効率、費用効果の高いセンサーレスまたはエンコーダーセンサー対応のFOCプラットフォームを提供し、開発をスピードアップして市場投入までの時間を短縮します。 アプリケーションには、ポンプ、ゲート、リフト、ファンを駆動するための60ボルト未満および40アンペア（A）の同期モーターのほか、産業用および民生用のロボット工学と自動化が含まれます。
DRV8301-69M-KITハードウェアの機能：
- DIMM100controlCARDを受け入れるためのインターフェースを備えた三相インバーターベースボード
- 最大8301ボルトおよび1.5Aの連続をサポートするDRV60三相インバーター統合電源モジュール（統合された40 Aバックコンバーター付き）ベースボード
- TMDSCNCD28069MISOInstaSPIN-FOCおよびInstaSPIN-MOTIONカード
- MotorWareでサポートされているTMDXCNCD28054MISO（別売り）およびTMDSCNCD28027F +外部エミュレーター（別売り）を操作する機能
高性能、高効率のPMSMおよびBLDCモータードライブ
インフィニオンテクノロジーズのEVAL-IMM101Tは、完全に統合されたターンキーの高機能を提供するIMM101TスマートIPM（統合電源モジュール）を含むフル機能のスターターキットです。電圧 設計者が高性能、高効率のPMSM / BLDCモーターで使用できるモータードライブソリューション（図5）。 EVAL-IMM101Tには、整流器やEMIフィルターステージなどのIMM101TスマートIPMの「すぐに使用可能な」評価に必要なその他の必要な回路、およびPCへのUSB接続を備えた分離デバッガーセクションも含まれています。
EVAL-IMM101Tは、IMM101TスマートIPMを使用してアプリケーションを開発する最初のステップで設計者をサポートするために開発されました。 評価ボードには、センサーレスFOC用のすべてのアセンブリグループが装備されています。 単相ACコネクタ、EMIフィルタ、整流器、およびモーターを接続するための三相出力が含まれています。 パワーステージには、電流検出用のソースシャントとDCリンク電圧測定用の分圧器も含まれています。
インフィニオンのIMM101Tは、コンパクトな12 x 12ミリメートル（mm）の表面実装パッケージでPMSM / BLDCドライブシステムのさまざまな制御構成オプションを提供し、外部コンポーネントの数とプリント回路基板（PCボード）の面積を最小限に抑えます。 パッケージは、ヒートシンクの有無にかかわらず良好に機能するように熱的に強化されています。 パッケージは、パッケージの下の高電圧パッド間の沿面距離が1.3 mmであるため、表面実装が容易になり、システムの堅牢性が向上します。
IMM100シリーズは、500ボルトのFredFETまたは650ボルトのCoolMOSのいずれかを統合します モスフェット。 パワーに応じて MOSFET パッケージに採用されているIMM100シリーズは、定格出力電力が25ワット（W）から80 W、最大DC電圧が500ボルト/ 600ボルトのアプリケーションをカバーします。 600ボルトバージョンでは、パワーMOSテクノロジーの定格は650ボルトですが、ゲートドライバの定格は600ボルトであり、システムの最大許容DC電圧を決定します。
24ボルトモーターコントロール評価システム
24ボルトPMSM / BLDCモータードライブの設計者は、RX0Tマイクロコントローラー用のルネサスのRTK0006EM01212S23BJモーター制御評価システムを利用できます（図6）。 RX23Tデバイスは、複雑なインバーター制御アルゴリズムの処理に使用できる浮動小数点ユニット（FPU）を内蔵した、シングルインバーター制御に適した32ビットマイクロコントローラーです。 これにより、ソフトウェアの開発と保守に必要な工数を大幅に削減できます。
さらに、コアのおかげで、ソフトウェア スタンバイ モード (RAM 保持あり) での消費電流はわずか 0.45 マイクロアンペア (μA) です。 RX23T マイクロコントローラは 2.7 ～ 5.5 ボルトの範囲で動作し、ピン配列およびソフトウェア レベルで RX62T ラインとの高い互換性があります。 キットには以下が含まれます:
- 24ボルトインバーターボード
- PMSM制御機能
- XNUMXシャント電流検出機能
- 過電流保護機能
- RX23Tマイクロコントローラー用CPUカード
- USBミニBケーブル
- PMSM
まとめ
BLDCとPMSMを使用して、コンパクトで高効率の精密モーションコントロールソリューションを提供できます。 BLDCおよびPMSモーターでセンサーレスベクトル制御を使用すると、センサーハードウェアが不要になるという利点が追加され、コストが削減され、信頼性が向上します。 ただし、これらのアプリケーションでのセンサーレスベクトル制御は、複雑で時間のかかるプロセスになる可能性があります。
示されているように、設計者はセンサーレスベクトル制御ソフトウェアが付属する開発プラットフォームと評価ボードに目を向けることができます。 さらに、これらの開発環境には、完全なシステムに統合されたすべてのモーターコントローラーと電力管理ハードウェアが含まれており、市場投入までの時間を短縮します。