ロボットシステムのモーター制御の設計

ロボットマニピュレータは、ロボットアームまたはボディのいずれかのロボットの動きを指定する3つ以上の軸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、物理的な変更なしに自動的に制御および再プログラム可能であり、制御システムのさまざまなアプリケーションに適応できます。もともとは過酷な環境やアクセスできない環境でアプリケーションを処理するように設計されていましたが、今日の産業システムはますます複雑になり、以前は手動で行っていた多くの操作を人間よりも正確かつ高速に実行するロボット工学を統合しています。

ロボットシステムは、主に機械、アクチュエータ、測定、制御の4つのサブシステムで構成されています。重要な課題は、関節のモーションコントロールに低速と高トルクが必要なため、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。これは、逆に、最適な動作条件下で高速と低トルクを生成します。

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に互換性があり、一方から他方への機械的トルクの伝達を可能にすることです。トランスミッションコンポーネントは、ロボットのベースにモーターを配置することで機械的構造を軽量化することで、静的および動的なパフォーマンスを向上させることもできます。

関節の動きは、機械的構造の望ましい動きを可能にするモーターに委ねられています。永久磁石、直流（ブラシ付き）、および電子整流（ブラシレス）電気モーターの3つの主要なタイプの中で、低慣性と高位置決め精度の要件を最適化するのに最適なのは、ブラシレスDCモーター（BLDC）です。

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図1：ブラシレスDCモーターの図（画像：Portescap）

BLDCには、ブラシ付きの回転電機子を使用して電気接続を行う機械的スイッチングを使用するブラシ付きモーターと比較して、機械的スイッチングがありません。

可動部品の削減により、ブラシレスモーターの寿命が長くなり、ボールベアリングの摩耗によってのみ制限されます。さらに、巻線は熱放散と過負荷容量を改善し、他のDCソリューションと比較して高い効率を提供します。

BLDCはブラシがないため、優れた耐久性と低ノイズ特性も備えています。構造には主に2つのタイプがあります。表面永久磁石（SPM）と内部永久磁石（IPM）です。 SPMモーターには、ローター表面の外側に磁石が取り付けられています。代わりに、IPMモーターには、ローター自体に永久磁石が埋め込まれています。

DCモーターとドライバー

BLDCは高効率を提供しますが、何よりも、多くのアプリケーションで使用される優れたトルクと速度の値を提供します。固定磁石と回転電機子を使用し、さまざまな部品を組み合わせて電子交換を提供します。

BLDCの設計は、モーターの回転力の量を表すトルクを最適化することを目的としており、磁石とコイルの巻線に関連しています。磁石の極対の数が多いほど、モーターのトルクが大きくなります。

一例として、PortescapのUltra ECプラットフォームがあります。これは、ECS、ECT、およびECPの3つのファミリで構成されています。これらのブラシレスミニモーターファミリーは、トルクと速度の要件に応じて、さまざまなアプリケーションで使用できます。特許取得済みのUコイルは、鉄の損失を最小限に抑え、優れた効率とより低温の動作を実現します（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、ロボットアプリケーションに適した小径で入手できます。直径30mmで、高ダイナミックで高トルクの機能が特徴です。

EC-iファミリにはいくつかのサイズがあり、それぞれ標準バージョンと高トルクバージョンがあり、最大公称トルクは75Wで最大110mNmです。すべてのバージョンで、EC-i30モーターを拡張できます。エンコーダー、ギアボックス、サーボコントローラー、またはポジショニングコントローラーを使用（図3 。

図3：マクソンモーターのEC-iモーター（画像：マクソンモーター）

STMicroelectronicsは、Maxonと共同で、ロボットおよび産業用アプリケーションの設計を加速するための新しいキットを開発しました。 EVALKIT-ROBOT-1キットは、ロボットアプリケーションでの正確な位置決めを提供します。

このキットには、STのSTSPIN32F0Aインテリジェント三相コントローラーと、モーターに接続できるSTパワートランジスタで構築された完全なインバーターステージが含まれています。 STSPIN32F0Aには、STM32F031C6マイクロコントローラーやコンパクトな7×7 mm VFQFPNパッケージの三相インバータードライバーなど、重要なモーター制御回路が含まれています（図4 。

モーター制御ファームウェアを使用すると、設計者はエンジンを始動してコマンドの送信を開始し、プロジェクトを簡単に最適化できます。キットには、1024パルスインクリメンタルエンコーダを内蔵した100 W Maxon BLDCモーター（EC-i 40）が含まれています。ローター位置検出用のホールセンサーも含まれています。

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

BLDCモーターは非常に効率的ですが、ますます厳しくなる要求に応えるために、企業はモーターの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量を削減し、熱管理を最適化するために取り組んでいます。

多くの場合、これらの設計には、必要な外部コンポーネントの数を最小限に抑える統合ドライバーと、高レベルの統合を可能にするシステムオンチップソリューションが組み込まれています。メリットには、スペースとエネルギーの節約、システム全体の信頼性の向上、コストの削減などがあります。

BLDCには電流の方向を機械的に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、台形と正弦波の2つの主要なタイプに分けることができます。温度制限やコストの関係で、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（マグネット）の位置を推定する場合があります。

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に、正しいモーター制御を確保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）電気モーター用の高効率制御ループを開発するために必要なレベルのパフォーマンスと計算機能を提供するのに最適です。

多くのMCUは、測位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しています。ますます多くのアプリケーションが測位データを提供するセンサーを排除しようとしているため、これは重要です。モーター制御アプリケーション用に特別に設計された周辺機器を備えたMCUはたくさんあります。

たとえば、ルネサスエレクトロニクスのRL78 / G14マイクロコントローラは、消費電流レベルと低レベルの電流ドレイン（CPUが動作しているときは66μ/ MHz、スタンバイまたはSTOPモードでは240 nA）のバランスを取り、高い計算パフォーマンスを提供します。 51.2 DMIPS（32 MHz）の。統合された安全機能は、家電製品の安全規格IEC / UL60730をサポートします。

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/オフ期間の比率によって制御されます。通常、これは巻線を駆動するために使用されるPWM信号の形式を取ります。この状態は、単相、2相、および3相モーターの使用によって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ています。通常、これらには、モーターの最大3相を励起するために使用される外部パワーMOSFETを駆動するためのゲートドライバーが含まれています。

コントローラ回路が低電流信号で動作している間、モーターは大電流を必要とします。したがって、モータードライバーの機能は、低電流の制御信号を取得し、それをモーターを駆動できる高電流の信号に変換することです。

インフィニオンテクノロジーズAGは、可変速ドライブを制御するためのさまざまな統合製品を提供しています。 iMOTION ICは、センサーレスフィールド指向制御（FOC）に必要なすべての制御およびアナログインターフェース機能を統合します。さらに、同社の実績のあるモーター制御エンジン（MCE）アルゴリズムを備えており、制御プロトコルの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1つのスペースセーバーは、Texas Instruments Inc.（TI）のスマートゲートドライバーです。これらのドライバは、受動部品を統合して、ボードサイズ、部品数、複雑さ、および設計コストを削減します。また、設計者はスイッチングと電磁干渉（EMI）のパフォーマンスを最適化できます。

TIは、その広範なドライバーポートフォリオで、3つの個別に制御可能なハーフHブリッジドライバーを備えたDRV8313を提供しています。このデバイスは、三相ブラシレスDCモーターを駆動するように設計されていますが、ソレノイドやその他の負荷を駆動するためにも使用できます。統合されたコンパレータにより、電流制限回路またはその他の機能を構築できます。

もう1つの例は、Toshiba Electronic Devices＆Storage Corpの閉ループ速度制御機能を備えたTC78B025FTGブラシレス三相モータードライバーICです。このデバイスは、4.5 V〜16 Vの電圧範囲の電源で動作し、正弦波ドライブを提供します。 150°スイッチング付き。 0.2Ω（標準）の低いオン抵抗により、動作中のICの自己発熱が減少し、サポートが高駆動電流に拡張されます。

電気的隔離

一般に、電気モーターの設計者は、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ために、国際的な絶縁基準に準拠する必要があることを知っています。デジタル分離を使用すると、過電流保護の統合とダウンタイムの削減を可能にする応答の高速化など、いくつかの利点があります。これにより、出力電圧の変動が大きくなり、トルク制御が向上します。

フォトカプラーはオプトエレクトロニクス技術に基づいているため、物理的な接触なしに電気的絶縁を確保するための非常に堅牢な方法です。これは、リレーなどの電気機械部品の使用に基づく従来のアプローチに比べて多くの利点を提供します。主な利点には、摩耗のない動作、補完コンポーネントの比較的低コスト、最小限のボードスペース、EMI耐性、高い信頼性、および長い動作寿命が含まれます。

モータードライブアプリケーションでは、回路の2つの主要部分を分離する必要があります。絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートドライブ、またはブリッジインバーターのIGBT（一方にコレクターとエミッターがあり、もう一方にゲートによって駆動されるデバイス）とモーターの電流位相検出。相電流検出は、IGBTを保護し、コントローラーにフィードバックを提供して、閉ループ電流の制御を維持します。

ロボットアプリケーションで使用できるフォトカプラーの例を次に示します。

ルネサスエレクトロニクスのパッケージ長2.5mmのRV1S92xxAおよびRV1S22xxAフォトカプラは、同様のデバイスと比較してPCB面積を35％削減し、設計者がロボットシステムのサイズを縮小するのに役立ちます。強化された絶縁のおかげで、RV1S92xxAおよびRV1S22xxAは、200Vおよび400Vシステムが安全基準を超えることを可能にします。すべてのデバイスは、PLCなどの制御システムに適用される厳格なUL61800-5-1モーター制御規格およびUL61010-2-201に準拠しています（図5 。

図5：ルネサスエレクトロニクスのRV1S92xxAおよびRV1S22xxAの断面図（画像：ルネサス）

東芝のTLP5214は、SO16Lパッケージに収容された高度に統合された4A出力電流IGBTゲートドライブフォトカプラです。 TLP5214には、IGBT不飽和検出、絶縁障害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）などの高度な組み込み機能があります。インバータアプリケーションで使用されるIGBTおよびパワーMOSFETの駆動に適しています。

結論

モーターが産業用または非産業用の動作環境で使用されているかどうかにかかわらず、正確な測位機能を備えたハイエンドモーションコントロールの設計は複雑であり、非常に信頼性の高いドライブソリューションと最適な機械的構造が必要です。

近年では、電気モーターは、ラピッドプロトタイピング、専用オペレーティングシステム、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急速に進歩しているドローンや農業4.0などの新しいロボットアプリケーションにもリンクされています。