電気モーターは、さまざまな産業、自動車、商業用途で広く使用されています。モーターはドライバーによって制御され、ドライバーは入力電力を変更することでモーターのトルク、速度、位置を調整します。高性能モーター ドライバーにより効率が向上し、より高速で正確な制御が可能になります。この記事では、ADIが提供する最新のモーター制御システム アーキテクチャとさまざまなモーター制御ソリューションを紹介します。
マルチチップアーキテクチャを備えた最新のインテリジェントモーター制御システム
技術の進歩により、モーター制御システムはより高度なインテリジェンスと効率性へと進化しています。高度なモーター制御システムでは、制御アルゴリズム、産業用ネットワーク、ユーザー インターフェイスが統合されているため、すべてのタスクをリアルタイムで実行するには、より多くの処理能力が必要になります。現代のモーター制御システムでは通常、モーター制御アルゴリズム用のデジタル信号プロセッサ (DSP)、高速I/Oおよびネットワーク プロトコル用のフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA)、実行制御の処理用のマイクロプロセッサを利用するマルチチップ アーキテクチャが採用されています。
ザイリンクスなどのシステムオンチップ（SoC）デバイスの登場により、® CPUの柔軟性とFPGAの処理能力を組み合わせたZynq All Programmable SoCにより、設計者はモーター制御機能とその他の処理タスクを1つのデバイス内に統合できるようになりました。制御アルゴリズム、ネットワーク、およびその他の処理集約型タスクはプログラマブル ロジックにオフロードされ、監視制御、システム監視と診断、ユーザー インターフェイス、およびデバッグは処理ユニットによって処理されます。プログラマブル ロジックには、複数の並列動作制御コアが含まれ、多軸マシンまたは複数の制御システムを実現できます。
近年、MathWorksなどのモデリングおよびシミュレーションツールの普及により、® シミュリンク®モデルベース設計は、モデルの作成から実装までの完全な設計ワークフローへと進化しました。モデルベース設計により、エンジニアや科学者の作業方法が変わり、設計タスクが研究室や現場からデスクトップに移行します。現在では、プラントとコントローラーを含むシステム全体をモデル化できるため、エンジニアは現場に導入する前にコントローラーの動作を微調整できます。これにより、損傷のリスクが軽減され、システム統合が加速され、機器の可用性への依存度が軽減されます。制御モデルが完成すると、Simulink環境はそれを制御システムによって実行されるCおよびHDLコードに自動的に変換できるため、時間が節約され、手動コーディング エラーを回避できます。
より高いモーター制御性能を実現する完全な開発環境では、コントローラ実装用のXilinx Zynq SoC、モデルベースの設計と自動コード生成用のMathWorks Simulink、および駆動システムの迅速なプロトタイピング用のADIのIntelligent Drives Kitが活用されています。
高度なモーター制御システムは、制御、通信、ユーザーインターフェースのタスクを包括的に管理します。
高度なモーター制御システムでは、制御、通信、ユーザー インターフェイスのタスクを包括的に処理する必要がありますが、それぞれのタスクには異なる処理帯域幅の要件とリアルタイムの制約があります。このような制御システムを実現するには、選択したハードウェア プラットフォームが、将来のシステムの改善や拡張に対応できる堅牢性と拡張性を備えている必要があります。高性能処理システムとプログラマブル ロジックを統合したZynq All Programmable SoCは、優れた並列処理機能、リアルタイム パフォーマンス、高速計算、柔軟な接続性を提供します。このSoCには、システムまたは外部アナログ センサーを監視するための2つのXilinxアナログ-デジタル コンバーター (XADC) が含まれています。
Simulinkは、マルチドメイン シミュレーションとモデルベース設計をサポートするブロック ダイアグラム環境であり、制御アルゴリズムとプラント モデルの両方を備えたシステムのシミュレーションに最適です。モーター制御アルゴリズムは、正確な位置決めなどの目的のために、速度、トルクなどのパラメータを調整します。シミュレーションを通じて制御アルゴリズムを評価することは、モーター制御設計が適切かどうかを判断する効率的な方法であり、適合性が判断された後は高価なハードウェア テストの時間とコストを削減します。
プロトタイプ作成に適したハードウェアを選択することは、設計プロセスにおける重要なステップです。ADIインテリジェント ドライブ キットを使用すると、迅速なプロトタイピングが可能になります。高性能モーター制御とデュアルチャネル ギガビット イーサネット産業用ネットワーク接続のための迅速かつ効率的なプロトタイピングをサポートします。
ADIインテリジェント ドライブ キットには、Simulinkコントローラ モデルのセット、完全なXilinx Vivadoフレームワーク、およびADI Linuxインフラストラクチャが含まれており、シミュレーションからプロトタイピング、そして最終的には生産システムへの実装まで、モーター制御システムの設計に必要なすべての手順を効率化します。
ADIがIntelligent Drives Kit用に提供するLinuxソフトウェアとHDLインフラストラクチャは、MathWorksおよびXilinxのツールと組み合わせると、モーター制御アプリケーションのプロトタイピングに最適です。また、最終的な制御システムに統合できる生産準備が整ったコンポーネントも含まれており、構想から生産までに必要な時間とコストを削減します。
モーター制御アプリケーションをサポートする変調器と差動増幅器
ADIは、モーター制御アプリケーション向けに、さまざまな変調器、差動アンプ、計装アンプ、オペアンプ ソリューションを提供しています。
AD7401は、ADIのオンチップ デジタル アイソレータ技術を活用した2次シグマ デルタ (Σ-Δ) 変調器であり、アナログ入力信号から高速1ビット データ ストリームを提供します。AD7401は5V電源で動作し、 ±200 mV (±320 mVフルスケール) の範囲の差動信号を受け入れることができます。アナログ変調器はアナログ入力信号を継続的にサンプリングするため、外部のサンプル アンド ホールド回路は不要です。入力情報は出力データ ストリームにエンコードされ、最大20 MHzのデータ レートを実現できます。このデバイスはシリアルI/Oインターフェイスを備えており、5Vまたは3V電源 (VDD2) で動作できます。
シリアル インターフェイスのデジタル絶縁は、高速CMOSテクノロジとモノリシック空芯トランスフォーマーを統合することで実現され、従来のオプトカプラやその他のコンポーネントに比べて優れたパフォーマンスを提供します。このデバイスにはオンチップ基準電圧が含まれており、内部クロックを備えたAD7400としても利用できます。AD7401は、ACモーター制御、データ収集システム、および光アイソレータと組み合わせたADCの代替としてアプリケーションに適しています。
AD8207は、大きな同相電圧が存在する場合に大きな差動電圧を増幅するために設計された単電源差動アンプです。3.3V ～ 5Vの単一電源で動作し、5V電源使用時の入力コモンモード電圧範囲は -4V ～ +65Vです。AD8207は8ピンSOICパッケージで提供され、大きな入力PWMコモンモード電圧が一般的な電磁弁やモーター制御などのアプリケーションに最適です。
AD8207は、低ドリフトで優れたDC性能を発揮します。オフセット ドリフトは通常500 nV/°C未満であり、ゲイン ドリフトは通常10 ppm/°C未満です。双方向電流検知アプリケーションに最適で、VREF1とVREF2の2つのリファレンス ピンを備えているため、ユーザーはデバイスの出力を電源電圧範囲内の任意の電圧に簡単にオフセットできます。VREF1をV+に接続し、VREF2をGNDピンに接続することで、出力はハーフスケールに設定されます。両方のリファレンス ピンを接地すると、接地電圧付近から始まるユニポーラ出力が得られます。両方のリファレンス ピンをV+ に接続すると、V+ 電圧付近からユニポーラ出力が得られます。VREF1とVREF2に外部低インピーダンス電圧を印加すると、他の出力オフセットが可能になります。
低ノイズ、低歪みの計装アンプとオペアンプ
AD8251は、GΩ レベルの入力インピーダンス、低出力ノイズ、低歪みなどの機能を備えた、デジタルでプログラム可能なゲイン計装アンプです。センサーとのインターフェースや高速アナログ-デジタル コンバーター (ADC) の駆動に適しています。帯域幅は10 MHz、全高調波歪み (THD) は -110 dB、セトリング時間は785 nsと高速で、精度は0.001% (最大) です。保証されたオフセットドリフトとゲインドリフトはそれぞれ1.8 µV/°Cと10 ppm/°C (G = 8) です。
このデバイスは、広い入力コモンモード電圧範囲に加えて、80 dB (G = 1、DC ～ 50 kHz) という高いコモンモード除去能力を備えています。高精度のDC性能と高速機能の組み合わせにより、AD8251はデータ取得アプリケーションに最適です。さらに、このモノリシック ソリューションは設計と製造を簡素化し、厳密に適合された内部抵抗器とアンプによりテストおよび測定機器のパフォーマンスを向上させます。
AD8251ユーザー インターフェイスにはパラレル ポートが含まれており、ユーザーは2つの異なる方法でゲインを設定できます。1つの方法は、WR入力を使用して、バス経由で送信された2ビット ワードをラッチすることです。もう1つは、ゲインがゲイン ポートのロジック レベルの状態によって決定される透過ゲイン モードを使用することです。
AD8251は10ピンMSOPパッケージで提供され、-40°C ～ +85°Cの温度範囲で定格されています。データ収集、生物医学分析、テストおよび測定など、サイズとパッケージ密度の要件が厳しいアプリケーションに最適です。
AD8646は、24 MHzレールツーレール デュアル チャンネル オペアンプです。さらに、AD8647とAD8648は、低入力オフセット電圧、広い信号帯域幅、低入力電圧、低電流ノイズなどの機能を備えたデュアル チャンネルおよびクワッド チャンネル、レールツーレール入力および出力、単電源アンプです。AD8647は低電力シャットダウン機能も備えています。
AD8646シリーズは、24 MHzの帯域幅と低オフセット、低ノイズ、極めて低い入力バイアス電流特性を兼ね備えており、さまざまなアプリケーションに適したアンプとなっています。フィルター、積分器、フォトダイオード アンプ、高インピーダンス センサーなどのデバイスは、この特性の組み合わせからメリットを得ることができます。広い帯域幅と低歪みの特性は、ACアプリケーションにとって有益です。AD8646/AD8647/AD8648は高出力駆動能力を備えているため、オーディオ ライン ドライバやその他の低インピーダンス アプリケーションの駆動に最適であり、AD8646とAD8648は車載アプリケーションに適しています。
AD8646シリーズはレールツーレールの入力および出力スイング機能を備えており、設計エンジニアは単電源システムでCMOS ADC、DAC、ASIC、およびその他の広出力スイング デバイスをバッファリングできます。
ADA4084-2 (デュアル) は、ADA4084-1 (シングル) およびADA4084-4 (クワッド) とともに、30 V、低ノイズ、レールツーレールI/O、低消費電力のオペアンプです。これらは、-40°C ～ +125°Cの工業用温度範囲で定格されています。シングル チャネルのADA4084-1は、5ピンSOT-23および8ピンSOICパッケージで提供されます。デュアル チャネルのADA4084-2は、8ピンSOIC、8ピンMSOP、および8ピンLFCSPパッケージで提供されます。ADA4084-4は、14ピンTSSOPおよび16ピンLFCSPパッケージで提供されます。
ADA4084-2はレールツーレール入出力をサポートし、0.625 mA (アンプあたり15 V、標準) の低消費電力、15.9 MHz (AV = 100、標準) のゲイン帯域幅積、9.9 MHz (標準) のユニティ ゲイン クロスオーバー周波数を特徴とし、13.9 MHz (15 V、標準) の -3 dBクローズド ループ帯域幅をサポートするとともに、100 μV (SOIC、最大) の低オフセット電圧、ユニティ ゲイン安定性、4.6 V/µs (標準) の高スルー レート、および3.9 nV/√Hz (1 kHz、標準) の低ノイズを実現します。±±
結論
最新のモーター制御システムをFPGA、MathWorks、Xilinx、ADIのツールやシステムと組み合わせることで、より効率的で正確なモーター制御ソリューションを実現できます。MathWorksのモデルベース設計およびコード生成ツールを強力なXilinx Zynq SoCおよびADIの絶縁、電源、信号調整、測定ソリューションと統合することで、モーター駆動システムの設計、検証、テスト、実装がこれまで以上に効率化され、モーター制御のパフォーマンスが向上し、市場投入までの時間が短縮されます。ADIのインテリジェント ドライブ キットは、システム評価を迅速化し、モーター制御プロジェクトを迅速に開始するのに役立つ優れたプロトタイピング環境を提供します。ご興味がおありのお客様は、ぜひ詳細をご確認ください。