小型モータードライブ向け高速応答フィードバックの最適化

モーターの回転データ（位置、速度、方向）は、今日の新興市場向けの信頼性の高いドライバーとコントローラーを提供するために、ピンポイントの精度で測定される必要があります。超小型PCB上に微小部品を実装するピックアンドプレースマシンから、手術用ロボット、UAVまで、高精度モーター制御の需要は高まり続けています。

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図1. クローズドループモーター制御フィードバックシステム（出典：Analog Devices, Inc.）

モーター制御アーキテクチャ

クローズドループモーターシステムでは、モーター、コントローラー、位置フィードバックインターフェースがコアループを形成します（図1）。モーターは電気エネルギーを機械的回転に変換し、コントローラーは加速、減速、停止点を指示し、位置インターフェースはリアルタイムの速度と位置をコントローラーに報告します。正確な位置データは、PCBへの精密部品実装や高速ピックアンドプレース操作などのタスクの生命線です。

超小型デバイス（ロボットアーム、マイクロ組立ステーション、微小アクチュエーター）では、PCB面積の1ミリメートルが重要です。したがって、設計者はフィードバックセンサーの厳格な精度要求と、小型エンクロージャの物理的制約のバランスを取る必要があります。

位置フィードバックシステム設計

ローエンドでは、シンプルなインクリメンタルセンサーとコンパレーターの組み合わせで十分な場合があります。ハイエンドアプリケーションでは、センサー、アナログフロントエンド、ADC、デジタルドライバーという洗練された信号チェーンが必要です。これらの中で、光学エンコーダーは分解能と堅牢性の面でゴールドスタンダードであり続けています。

光学エンコーダーは通常、LED光源、モーターシャフトに取り付けられたマーキングディスク、フォトディテクターで構成されます。ディスクの不透明/透明パターンが光を変調し、シャフトの絶対位置をエンコードする正弦波と余弦波形を生成します。これらの波形はミリボルトからマイクロボルトの範囲であることが多く、ADCの入力範囲に合わせて1 Vピークツーピークのウィンドウに増幅され、ダイナミックレンジを最大化します。

正弦波と余弦波は同時に取得する必要があるため、ADCは同時サンプリングをサポートする必要があります。結果として得られるデータはASICまたはマイクロコントローラーに転送され、毎PWMサイクルごとにエンコーダーを照会してモーターを正確に駆動します。従来、設計者はADCの速度、チャネル数、ボードフットプリントのトレードオフを強いられてきましたが、これらの制約は最新の統合ソリューションによって打破されつつあります。

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図2. 位置フィードバックシステム（出典：Analog Devices, Inc.）

位置フィードバックの最適化

現代のモーター制御アプリケーションは、エンコーダー分解能の限界を押し広げています。最新の光学エンコーダーは、微細リソグラフィーでディスクに数百から数千のスロットを刻むことができ、前例のない精度を実現します。

高性能ADCで正弦波と余弦波をより高いレートでサンプリングすることで、設計者はサンプル間を補間し、ディスクを再設計せずにエンコーダー分解能を効果的に向上させられます。図3は、低速サンプリングレートが位置推定の忠実度を制限するのに対し、高速レートではより多くの詳細を取得し、より正確なシャフト位置を生成することを示しています。

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図3. サンプリングレート（出典：Analog Devices, Inc.）

高速サンプリングはオーバーサンプリングによる分解能向上だけでなく、下流のデジタルインターフェースへの要求も緩和します。4 MSPSのADCは、詳細なサンプルをより低いシリアルデータレートで提供でき、コントローラーへの通信リンクをシンプルにします。

光学エンコーダー位置フィードバック設計例

以下の回路図（図4）は、アブソリュートエンコーダー向けに最適化された光学エンコーダーインターフェースを示しています。フロントエンドには、デュアルチャネル完全差動アンプのADA4940-2を使用し、3 mm × 3 mm LFCSPパッケージの16ビット、4 MSPS、同時サンプリングSAR ADC（AD7380）を駆動します。

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図4. 最適化されたフィードバックシステム設計（出典：Analog Devices, Inc.）

オンチップの2.5 Vリファレンスにより外部リファレンスが不要になり、部品点数を削減。LT3023やLT3032などの低ドロップアウトレギュレーターが、ADCのVCC/VDRIVEとアンプのレールの両方に給電します。

1回転あたり1024サイクルの正弦波/余弦波を生成する1024スロットエンコーダーと組み合わせると、16ビットのAD7380は各スロットを216回サンプリングし、エンコーダー分解能を実質的に26ビットまで向上させます。4 MSPSのスループットによりオンチップオーバーサンプリングがさらに可能になり、ADCの分解能ブースト機能により最大28ビットに到達できます。

要するに、高速同時サンプリングADCとコンパクトな完全差動フロントエンドの組み合わせにより、標準的な光学エンコーダーを28ビット精度の計測器に変えることができ、高速・小型モーター制御に最適です。

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