高集積ICによるブラシレスDCモーター制御設計の迅速な開始方法
著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-11-02
マルツ掲載日：2022-02-28
IoT(Internet of Things)や自動車の電動化などにより、機械システムの電子制御化が加速しています。家電製品やドアロック、リモコン付きブラインドから、自動車のポンプ、シート、窓、ドアに至るまで、基本的な用途に低消費電力のDCモーターが採用されています。このDCモーターはどこにでもあるものですが、なかなか目にする機会がありません。
モーターの改良と、より使いやすいモーター制御技術の進歩により、このような急速な普及が進んでいますが、設計者には高効率化と低コスト化、高精度化、高信頼性化が常に求められています。
ブラシレスDCモーター(BLDC)やステッピングモーター(ブラシレスDCモーターの一種)のバリエーションは、性能やコストの面でますます厳しい要求に応えることができますが、モーターコントローラやモーター駆動回路を慎重に検討する必要があります。
コントローラは、モーターの電子駆動スイッチ(通常はMOSFET)に適切な駆動信号を送り、そのタイミングと時間を慎重に制御しなければなりません。また、モーターの昇降軌道の制御ならびに、モーターと負荷にとって避けられないソフト的な問題やハード的な障害を検出して対応する必要があります。
ここでは、BLDCモーター用の制御ICが提供する機能についてご紹介します。本記事では、BLDCモータの電気的特性の全体像を把握し、ルネサスエレクトロニクスのモータ制御IC「RAJ306010シリーズ」を用いて、洗練されたコントローラによりBLDCモータをアプリケーションの目的に合わせて実現する方法を説明しています。
モーターコントロールパスとモーター
モーションコントロールソフトからモーターまでの経路は、ソフトウェアが動作するプロセッサと、モーターの電源を切り替えるゲートドライバー、そしてモーターで構成されています(図1)。
また、モーターのセンサーからアナログフロントエンドを経由してプロセッサーに戻り、モーターのローターの位置や速度に関する情報を提供して性能を確認したり、フィードバックループを閉じたりする経路がある場合もあります。
図1：今日のモーター制御は、ソフトウェアがファームウェアとしてプロセッサに組み込まれ、ゲートドライバーを制御することから始まります。ゲートドライバーは、モーターの巻線への電力供給を切り替えます。また、モーターからプロセッサに戻るセンサー駆動のフィードバックループがある場合もあります。(画像提供：Renesas)
DC駆動のブラシレスモーターには、「BLDCモーター」と「ステッピングモーター」という2つの有力な選択肢があります。どちらも内部の永久磁石の磁気的相互作用と、電磁コイルのスイッチングによって機能しています。この2つのうちのどちらを使うかは、用途に応じてそれぞれの長所と短所を考慮して決定します。
一般的にBLDCモーターは信頼性が高く、効率的で、様々な速度で大きなトルクを発揮することができます。モーターの固定子の磁極に順に通電することで、永久磁石を持つ回転子が回転することになります。一般的にBLDCモーターは、電子制御された3つのステータが外周に配置されています(図2)。
図2：BLDCモーターのステータは、永久磁石のローターが回転するような順序で通電されます。(画像提供：Renesas)
BLDCモーターには、応答性、加速性、信頼性、長寿命、高速動作、高出力密度などの特徴があります。医療機器、冷却ファン、コードレス電動工具、ターンテーブル、オートメーション機器などの用途に選ばれています。
ステッピングモーターの動作はBLDCモーターと似ていますが、1回転を多数の等角度ステップ(通常128または256)に分割することで、より小さな回転運動を行います。連続的に回転させるのではなく、モーターのローターを順次駆動させて、その小刻みなステップを歩くようにしています(図3)。これにより、通電したステーターの磁極から発生する磁界に同期して、ローターを正確に位置決めすることができます。
図3：ステッピングモーターは、ローターの周りに多数のステーターポールとその永久磁石が配置されており、これらのポールに制御された順序で通電することにより、ローターが回転し、小さな角度でステップしていきます。(画像提供：Renesas)
ステッピングモーターは信頼性が高く、正確で素早い加速と応答性を備えています。ステッピング動作とモーター構造により、CDドライブ、フラットベッドスキャナー、プリンター、プロッターなどの精密なアプリケーションでも、オープンループ制御と位置決めの安定性が十分に得られます。高度なアプリケーションでは、さらなる精度と性能確認のために、フィードバックセンサーとクローズドループ制御を追加することができます。
BLDCモーター制御オプション
BLDCモーターは、ACインダクションモーターやDCブラシ付きモーターのように電源電圧を調整して速度やトルクを制御するのではなく、MOSFETのON/OFFのタイミングで制御します。これにより、さまざまな作業を効率的かつ正確に行うことができます。
コードレス掃除機の吸引力を得るために大量の空気を送り込むのに必要となる高回転や、電動工具では特にモーターが負荷に対して失速した場合に高い起動トルクが求められるなど、様々な要求があります。多くのアプリケーションでは、モーターは一定の回転数を維持するために速い応答時間を必要とする大きな負荷変動にも対応する必要があります。
BLDCモーターの制御には、基本的な120⁰のオン/オフ制御とベクトル制御という共通の戦略があります。120⁰オン/オフ制御では、BLDCモーターの3つのコイルのうちの2つに通電し、6つの通電パターンを回転順に切り替えることで、どちらの方向への回転にも対応します(図4)。
図4：BLDCモーターのステーターポール(左)は、時計回りまたは反時計回りのどちらにも通電することができ(右)、その結果、アプリケーションに応じてローターをどちらの方向にも駆動することができます。(画像提供：Renesas)
このモードでは、ステーターコイルにオン/オフ電流(矩形波)を流すことで、モーターの回転数が上がり、回転数を維持した後、コイルの通電を停止して回転数が下がるという、台形の加速度プロファイルが得られます。このアプローチの利点は、本質的なシンプルさと簡単な操作性にあります。
しかし、負荷の変化などによる性能の変動に弱く、用途によっては精度や効率が十分ではありません。モーターコントローラーの高度なアルゴリズムは、MOSFETのオン/オフのタイミングを調整したり、PID(比例積分)やPI(比例積分)制御を用いたりすることで、これらの欠点をある程度克服することができます。
その中でも特に魅力的なのが、FOC(Field-Oriented Control)とも呼ばれるベクターコントロールです。この方法では、回転磁界を連続的に制御して3つのコイルに通電するため、120⁰制御に比べてより滑らかな動きを実現しています。FOCは現在、洗濯機をはじめとする多くの大衆製品に採用されるまでになっています。
FOCでは、各ステータコイルに流れる電流を測定し、複雑な数値処理を必要とする高度なアルゴリズムにより制御します。また、アルゴリズムは、3相交流値を2相直流値に連続的に変換する必要があり(座標変換と呼ばれるプロセス)、その後の制御に必要な方程式や計算を単純化することができます(図5)。FOCの結果、適切に行われれば、高精度で効率的な制御が可能になります。
図5：FOCアルゴリズムの一部では、複雑な数値処理計算を簡略化するために座標位相変換が必要となります。(画像提供：Renesas)
フィードバックのためのセンサーオプション
BLDCモーターの制御には、フィードバック信号のないオープンループ方式と、モーター側のセンサーからのフィードバックによるクローズドループ方式があります。その判断は、アプリケーションの精度、信頼性、安全性などを考慮して行われます。
フィードバックセンサーを追加すると、コストとアルゴリズムの複雑さが増しますが、計算の信頼性が向上するため、多くのアプリケーションで必須となっています。アプリケーションに応じて、主に関心のあるモーションパラメータは、ローターの位置または速度です。速度は位置の時間微分であり、位置は速度の時間積分であるというように、この2つの要素は密接に関係している。
実際には、ほぼすべてのフィードバックセンサーが位置を示しており、コントローラはその信号を直接、または微分して速度を決定することができます。よりシンプルなケースでは、フィードバックセンサーの主な役割は、クローズドループ制御のためではなく、モーターの基本的な性能に対する安全上のチェックや、失速インジケーターとしての役割です。
一般的に使用されているフィードバックセンサは4種類あります。ホール効果素子、光学式エンコーダ、レゾルバ、誘導式センサです(図6)。それぞれ、性能、解像度、コストなどが異なります。
図6：システムがモーターフィードバック信号を必要とする場合、ホール効果デバイスからエンコーダ、レゾルバ、誘導センサーまで、ユーザーには幅広いセンサーオプションが用意されています。(画像提供：Renesas)
ホール素子は、一般的に最もシンプルで設置しやすいと言われており、多くの場面で活躍しています。光学式エンコーダは、低解像度から中程度の高解像度まで幅広く対応していますが、取り付けに課題があり、長期的な信頼性に不安がある場合もあります。
レゾルバとインダクティブセンサーは、サイズが大きく、重く、コストも高く、インターフェースにも課題がありますが、非常に高い解像度と長期的なパフォーマンスを実現します。
現在の配信
BLDCやステッパーなどのブラシレスモーターの極は、電磁的な「コイル」であるため、電圧ではなく電流で駆動する必要があります。これらの極に適切に通電するためには、モーター制御システムは、オン/オフスイッチ(多くの場合、MOSFET)を介して、正確なタイミング、パルス幅、制御されたスルーレートで電流を供給し、適切かつ効率的にモーターを駆動する必要があります。また、モーターの停止、過大な電流要求、熱による過負荷、短絡など、さまざまな障害状況からMOSFETを保護する必要があります。
500mAから1A以下の比較的小型のモーターでは、MOSFETのゲートドライバーやMOSFETをモーター制御ICのパッケージに内蔵することができ、フットプリントを可能な限り小さくすることができます。これは便利であり、デザインインを簡素化しますが、いくつかの理由により、多くのケースで実用的な選択ではありません。
高性能なMOSFETの半導体プロセスは、コントローラのデジタルロジックのプロセスとは大きく異なるため、最終的に組み合わせるための設計は妥協の産物となります(ただし、受け入れられる可能性もあります)。
MOSFETの電力損失と熱管理は、アプリケーションの電力ニーズによって大きく左右されます。電流や電力のレベルが上がると、オンチップのMOSFETの損失や発生する熱がパッケージの限界をすぐに超えてしまいます。このような場合には、デジタル機能とパワー機能を分離することで、設計者がMOSFETの配置や熱管理を最適化できるようにすることが、より良い解決策となります。
最後に、モーターに必要な電流レベルが増加すると、モーターの電源リードにおけるIRによる電圧降下の増加が問題になります。そのため、スイッチングデバイスを負荷の近くに設置することが望ましいでしょう。
このような理由から、多くのモーター・モーションコントロール用ICは、パワーMOSFET以外の必要な機能をすべて搭載しています。複数のMOSFETを搭載したトポロジーは、しばしばインバータ機能と呼ばれます。ディスクリートのMOSFETを使用することで、負荷電流、オン抵抗、パッケージタイプ、スイッチング特性などの仕様を適切に組み合わせてデバイスを選択することが可能になります。
モーター制御の課題に応える高機能IC
従来、高度なモーター制御には、いくつかのICを組み合わせる必要がありました。一般的には、コマンドを発行するローエンドのプロセッサと、必要なアルゴリズムを実装する専用の数値演算コプロセッサ、または両方を実行するハイエンドのプロセッサと、パワーデバイス用のゲートドライブ回路が含まれています。そのため、基板の面積が大きくなり、BOM(部品表)が長くなるだけでなく、システム統合やそれに伴うデバッグの問題も発生していました。
しかし、ルネサスのRAJ306010(図7)に代表されるように、現在のモーターコントロールICは、1つのデバイスですべての機能を実現することができます。RAJ306010には、モーター制御設計のニーズに特化した多くの機能ブロックが搭載されています。
図7：ルネサスのRAJ306010 ICは、高度なモーター制御に必要な機能を備えているため(パワーMOSFETを除く)、マルチICソリューションよりも省スペースで、BOMと設計統合の両方を簡素化することができます。(画像提供：Renesas)
本製品は、3相ブラシレスDCモーター用の汎用モーターコントロールICです。本製品は、デジタルコントローラ機能と、ほとんどがアナログのプリドライバ機能という2つの異なる役割を、8×8mmの小型パッケージ(64ピンQFN)に集約し、緊密に統合しています。
6～24Vの電源で動作し、電動工具、園芸用品、掃除機、プリンター、扇風機、ポンプ、ロボットなど、スタンドアローンでほぼ自律的に動作するアプリケーションを対象としています(なお、RAJ306001はRAJ306010と同じデータシートを持つ6～30Vのバージョンです)。
デジタル面では、16ビットマイコン(ルネサス社製RL78/G1Fクラス)を搭載し、64KバイトのフラッシュROM、4KバイトのデータフラッシュROM、5.5KバイトのRAMを備えています。また、デジタルI/Oも充実しており、汎用I/O(GPIO)、SPI、I2C、UARTなどがあります。さらに、アナログ信号を取り込むために、9チャンネル10ビットのADC(A/Dコンバータ)を搭載しています。
RAJ306010を使用するには、システム設計者は必要となる動作パラメータを適切なフラッシュメモリ制御レジスタにロードし、必要な動作モードと条件を確立します。典型的なアプリケーションの高レベルシステムブロック図(図8)に見られるように、このICは追加のマイクロコントローラーを必要とせず、電源投入時に機能する準備ができています。
図8：RAJ306001を使用した基本的なアプリケーションの高レベルシステムブロック図で、高レベルの統合により、追加のディスクリート部品の必要性が最小限に抑えられていることがわかります。(画像提供：Renesas)
RAJ306010のアナログ側には、最大500mAまでのゲートドライブピーク電流を調整可能な3つのハーフブリッジゲートドライバ、ブリッジのシュートスルーや損傷を防ぐための自己調整型デッドタイムジェネレータ機能、電流センスアンプ、および逆起電力アンプが搭載されています。内蔵されたチャージポンプにより、低電圧の電源から最大13Vのゲート駆動が可能です。
ホールセンサーに直接対応しているほか、アナログフロントエンド(AFE)を使って他の種類のフィードバックセンサーにも対応しています。適切に設計されたモーターコントロールには、過温保護、過電圧/低電圧ロックアウト(UVLO)、過電流検出、モーターロック状態からの保護などの機能があります。
図9の例では、RAJ306010が24Vのコードレスブレンダーのような基本的なスタンドアローンのアプリケーションを簡単に扱うことができます。回路の大部分は8セルのバッテリーパックの充電と管理に費やされており、モーター制御に必要なのは、コントロールIC、外部の3相ブリッジ(インバーター)、フィードバック電圧センス回路(電流センス抵抗を介して)、そしてユーザーの「スタート」ボタンだけです。
図9：RAJ306010の機能集積度の高さは、このバッテリー駆動のブレンダーのような基本的な家電製品のコアとなるモーター制御機能に必要な追加回路や追加部品がいかに少ないかを明確に示しています。(画像提供：Renesas)
BLDCモーター制御を体験してみよう
紙の上やPC上で、システム全体の様々なモデルを使って、モーター制御アプリケーションを計画し、シミュレーションし、評価し、調整することは一つの方法です。しかし、実際のモーターを走らせて、実際の部品、実際の負荷、実際のダイナミクスを使って性能をテストすることと、初期起動条件の設定や各種性能パラメータの変更による影響を知ることは別物です。
そこで、ルネサスのRTK0EML2C0S01020BJモータ制御評価システム(図10)は、デバッグを容易にするRenesas Motor Workbenchとともに、設計エンジニアにとって重要な資産となります。RAJ306010の動作、入出力モード、各種制御レジスタの機能などを知ることができるソフトウェアツールです。
図10：ルネサスRTK0EML2C0S01020BJモーター制御評価システムの中核となる本ボードは、ソフトウェア「Renesas Motor Workbench」と併用することで、モーター制御IC「RAJ306010」を使用する際のパラメータの微調整やモーター性能の評価を迅速に行うことができます。(画像提供：Renesas)
評価システムには、24V/420mAのBLDCモーター(無負荷回転数3900rpm、定格トルク19.6mN-m(Fcm200g相当))を搭載し、製品開発をより迅速に進められるようにしました。また、ルネサスは、センサレス制御とセンサベース制御の両方に対応したソフトウェア制御ルーチンのサンプルを提供しています。
まとめ
DCモーターをシステムに組み込む設計者は、従来のブラシ付きDCモーターに加えて、小型でありながらパワーと精度を備えた、高性能でコスト効率の高いBLDCモーターを利用することができます。
このBLDCモーターの可能性を十分に発揮するために、スマートコントローラーは、ユーザーの希望するパラメーターで、必要なアルゴリズムを組み込み、実装します。また、モーターのスイッチングMOSFETやその他のアナログI/Oに必要なドライブを提供し、完全なモーター制御ソリューションを提供します。
このように、ルネサスのRAJ306010のようなICは、開発キットやソフトウェアによってサポートされており、家電製品、自動車のシート、窓など、現在では一般的になっている多くのアプリケーションに、高性能、小型、効率的なモーター制御を提供するという設計上の課題を大幅に簡素化しています。
参考資料
(1) BLDCモーター制御アルゴリズム
(2) RTK0EML2C0S01020BJ RAJ3060xxモータ制御IC用BLDCモータ制御評価システム
(3) アプリケーションノート R01AN3786EJ0102, "Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor (Algorithm)"
(4) ポータブルパワーツールソリューション
(5) 24Vコードレスブレンダー
(6) モーターソリューション。ユーザーフレンドリーなモーター制御開発環境でTime to Marketを短縮
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