先進ロボットシステム向け精密モーター制御のエンジニアリング

ロボットマニピュレータは、ロボットの動き（ロボットアームまたはボディ）を指定する3軸以上でプログラム可能です。これらのロボットマニピュレータは自動制御され、物理的変更なしで再プログラム可能で、制御システムのさまざまなアプリケーションに適応可能です。もともとは過酷またはアクセス困難な環境でのアプリケーション向けに設計されましたが、今日の産業システムはますます複雑になり、以前は手作業で行われていた多くの操作を、人間よりもより精密かつ高速に実行するロボティクスを統合しています。

ロボットシステムは主に4つのサブシステムで構成されます: 機械、アクチュエータ、計測、制御。主要な課題は、関節のモーション制御における低速・高トルク要求が、サーボモーターの機械的特性を効果的に活用できないことです。逆に、最適動作条件下では高速・低トルクを生み出します。

したがって、ドライブユニットの機能は、モーターと負荷の速度とトルクが互換性を持ち、機械的トルクを一方から他方へ伝達可能にすることです。伝達コンポーネントは、モーターをロボットベースに配置することで機械構造を軽量化し、静的および動的性能を向上させることも可能にします。

関節運動は、機械構造の望ましい動きを可能にするモーターに委ねられます。3つの主要タイプ——永久磁石、直流（ブラシ付き）、電子整流（ブラシレス）電動モーター——のうち、低慣性と高位置決め精度の要求を最もよく最適化するのはブラシレスDCモーター、またはBLDCです。

図1: ブラシレスDCモーター図（画像: Portescap）

BLDCは、回転アーマチュアとブラシを用いて電気接続を行う機械的整流を使用するブラシ付きモーターとは異なり、機械的整流がありません。

可動部品の削減により、ブラシレスモーターはボールベアリングの摩耗のみによって寿命が制限される長寿命を実現。また、巻線が放熱と過負荷耐性を改善し、他のDCソリューションと比較して高効率を提供。

ブラシがないため、BLDCは優れた耐久性と低騒音特性も示します。主に2つの構造タイプがあります: 表面永久磁石（SPM）と内部永久磁石（IPM）。SPMモーターは磁石をローター表面の外側に取り付け、IPMモーターは永久磁石をローター内部に埋め込みます。

DCモーターとドライバー

BLDCは高効率を提供しますが、何より優れたトルクと速度値が多くのアプリケーションで使用されています。固定磁石と回転アーマチュアを使用し、さまざまな部品を組み合わせて電子整流を提供します。

BLDCの設計はトルク（モーターの回転力の量）を最適化することを目的とし、磁石とコイル巻線に関連します。磁石の極対数が多いほど、モータートルクは大きくなります。

一例はPortescapのUltra ECプラットフォームで、ECS、ECT、ECPの3ファミリで構成。これらのブラシレスミニモーターファミリは、トルクと速度要件に応じて多様な用途に使用可能。特許取得のUコイルが最小限の鉄損を実現し、良好な効率と低温動作を提供（図2）。

図2: PortescapのUltra ECモーター（画像: Portescap）

Maxon Motor AGのEC-iブラシレスモーターは、ロボット用途に適した小径で提供。高ダイナミックと高トルクが特徴。

EC-iファミリは複数サイズで提供され、各サイズに標準版と高トルク版があり、最大公称トルク110 mNm（75 W）まで。すべてのバージョンで、EC-i 30モーターはエンコーダー、ギアボックス、サーボコントローラー、ポジショニングコントローラーで拡張可能（図3）。

図3: Maxon MotorのEC-iモーター（画像: Maxon Motor）

STMicroelectronicsはMaxonと共同で、ロボットおよび産業アプリケーションの設計を加速する新キットを開発。EVALKIT-ROBOT-1キットはロボットアプリケーションでの精密位置決めを提供。

キットには、STのSTSPIN32F0Aインテリジェント三相コントローラーと、STパワートランジスタで構築された完全なインバータステージが含まれ、モーター接続準備済み。STSPIN32F0Aは、STM32F031C6マイクロコントローラーと三相インバータドライバーをコンパクトな7×7 mm VFQFPNパッケージに含む、クリティカルなモーター制御回路を内蔵（図4）。

モーター制御ファームウェアにより、設計者はエンジンを始動し、コマンドを送信してプロジェクトを簡単に最適化可能。キットには内蔵1024パルスインクリメンタルエンコーダー付き100 W Maxon BLDCモーター（EC-i 40）と、ローター位置検出用ホールセンサーが含まれます。

図4: ST EVALKIT-ROBOT-1開発キット（画像: STMicroelectronics）

BLDCモーターはかなり効率的ですが、ますます厳しい要求を満たすプレッシャーにより、企業はモーター構造だけでなくドライバーも改善する必要があります。特に、全体的なエネルギー消費削減と熱管理の最適化に取り組んでいます。

多くの場合、これらの設計は外付け部品数を最小限に抑える統合ドライバーと、高レベルな統合を可能にするシステムオンチップソリューションを採用。メリットには、スペースとエネルギーの節約、全体的なシステム信頼性の向上、コスト削減が含まれます。

BLDCには機械的に電流方向を切り替える構造がないため、これは電子的に行う必要があります。波形は主に台形と正弦波の2タイプに分類。温度制限とコストの理由で、センサーを使用せずに三相電流や誘導電圧からローター（磁石）位置を推定するケースもあります。

ドライバーは、アプリケーションで速度と方向を適切に制御できるよう、正しいモーター制御を保証する必要があります。最新のマイクロコントローラー（MCU）は、DC（およびAC）電動モーターの高効率制御ループ開発に必要な性能と計算機能を提供するのに最適です。

多くのMCUは、位置決めデータを使用して複雑なアルゴリズムをリアルタイムで処理できる信号処理機能をサポート。これは重要です。ますます多くのアプリケーションが、位置決めデータを提供するセンサーの排除を試みているためです。モーター制御アプリケーション専用に設計されたペリフェラルを持つMCUが多数存在します。

例えば、Renesas ElectronicsのRL78/G14マイクロコントローラーは、消費電流レベルと低電流ドレイン（CPU動作時66 μA/MHz、スタンバイ/STOPモードで240 nA）を両立し、51.2 DMIPS（32 MHz）の高い演算性能を提供。統合安全機能が家電向け安全規格IEC/UL 60730をサポート。

BLDCモーターでは、ドライブもより複雑になります。速度とトルクはトランジェントのオン/オフ持続時間比で制御され、通常PWM信号として巻線を駆動する形を取ります。この状況は、単相、二相、三相モーターの使用によりさらに複雑になります。今日、多くの統合デバイスがドライブステージとして使用されます。通常、モーターの最大三相を励磁するために外部パワーMOSFETを駆動するゲートドライバーを含みます。

モーターには大量の電流が必要ですが、コントローラー回路は低電流信号で動作。したがって、モータードライバーの機能は、低電流制御信号を受け取り、モーターを駆動できる高電流信号に変換することです。

Infineon Technologies AGは、可変速ドライブ制御用の多様な統合製品を提供。iMOTION ICは、センサーレス磁界方向制御（FOC）に必要なすべての制御とアナログインターフェース機能を統合。さらに、同社の実証済みモーター制御エンジン（MCE）アルゴリズムを搭載し、制御プロトコル開発プロセスからソフトウェアコーディングを排除します。

もう一つのスペースセーバーは、Texas Instruments（TI）のスマートゲートドライバー。これらはパッシブ部品を統合し、基板サイズ、部品数、複雑さ、設計コストを削減。また、設計者がスイッチングと電磁干渉（EMI）性能を最適化できるようにします。

広範なドライバーポートフォリオで、TIはDRV8313を提供。3つの個別制御可能なハーフHブリッジドライバーを備え、三相ブラシレスDCモーター駆動向けに設計（ソレノイドや他の負荷駆動にも使用可能）。統合コンパレータで電流制限回路などの構築が可能。

もう一つの例は、東芝デバイス&ストレージのTC78B025FTGブラシレス三相モータードライバーIC（クローズドループ速度制御機能付き）。デバイスは4.5 V〜16 Vの電源電圧範囲で動作し、150°スイッチングの正弦波駆動を提供。低オン抵抗0.2 Ω（typ.）が動作時のIC自己発熱を抑制し、高駆動電流をサポート。

電気的絶縁

一般的に、電動モーター設計者は国際絶縁規格に準拠し、外部ソースからの干渉を防ぎ、ユーザーの電気的安全性を確保する必要があることを知っています。デジタル絶縁の使用には、過電流保護の統合とダウンタイム削減を可能にするより高速な応答など、いくつかの利点があります。これにより出力電圧のより進行的な変化が可能になり、トルク制御が改善されます。

フォトカプラは光電子技術ベースのため、物理的接触なしで電気的絶縁を確保する極めて堅牢な方法です。これは、リレーなどの電気機械コンポーネントの使用に基づく従来のアプローチに対して多くの利点を提供。主な利点には、非接点動作、補完部品の比較的低コスト、最小基板スペース、EMI耐性、高信頼性、長寿命が含まれます。

モータードライブアプリケーションでは、回路の2つの主要部分に絶縁が必要: ブリッジインバータ内の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT：コレクタとエミッタが一方に、ゲートが他方で駆動されるデバイス）のゲートドライブ、およびモーター内の電流位相検出。位相電流検出はIGBTへの保護と、クローズドループ電流を維持するためのコントローラーへのフィードバックを提供。

ロボットアプリケーションで使用できるフォトカプラのいくつかの例：

パッケージ長2.5 mmのRenesas Electronics Corp.製RV1S92xxAとRV1S22xxAフォトカプラは、類似デバイス比でPCB面積を35%削減し、ロボットシステムの小型化を支援。強化絶縁により、RV1S92xxAとRV1S22xxAは200 Vと400 Vシステムが安全規格を超えて準拠可能。すべてのデバイスが厳格なUL61800-5-1モーター制御規格と、PLCなどの制御システムに適用されるUL61010-2-201に準拠（図5）。

図5: Renesas ElectronicsのRV1S92xxAとRV1S22xxA断面図（画像: Renesas）

ToshibaのTLP5214は、高度に統合された4 A出力電流IGBTゲートドライブフォトカプラで、SO16Lパッケージに収納。TLP5214は、IGBTデサチュレーション検出、絶縁故障ステータスフィードバック、ソフトIGBTシャットダウン、アクティブミラーブロッキング、低電圧ブロッキング（UVLO）などの高度な内蔵機能を搭載。インバータアプリケーションで使用されるIGBTとパワーMOSFETの駆動に適しています。

結論

産業用であれ非産業用であれ動作環境にかかわらず、正確な位置決め機能を持つハイエンドモーション制御の設計は複雑で、極めて信頼性の高いドライブソリューションと最適な機械構造を必要とします。

近年、電動モーターはドローンやAgriculture 4.0などの新興ロボットアプリケーションにも結びついており、迅速プロトタイピング、専用OS、統合制御システムなどの新しい製造システムのおかげで加速した進歩を見せています。