モーターはさまざまな産業製品や消費者製品に広く使用されており、非常に一般的で重要な電子部品です。さらに、電気自動車（EV）の急速な発展に伴い、モーターの市場需要も急速に高まっています。モーターの動作効率をどのように向上させるかが、関連アプリケーションの重要な要素となっています。本稿では、モーターの種類と選定要因、およびモーター制御に使用できるST（STマイクロエレクトロニクス）社が発表した高性能ミックスドシグナルマイクロコントローラユニット（MCU）の機能特性について紹介します。
モーター駆動の効率を改善し、バッテリー駆動システムの耐用年数を延ばす
エネルギー使用というテーマを扱う際によく引用される数字の一つは、世界の電力の半分以上がモーターの駆動に使用されているということです。この現象の主な原因は産業部門ですが、特に近年の電気自動車（EV）の急速な発展の結果として、エアコンや家電製品など多くの消費者向けアプリケーションの影響も見逃せません。全体的なエネルギー消費を削減し、バッテリー駆動システムのサービス時間を最大限に延ばすには、モーター ドライブの効率を可能な限り向上させることが非常に重要です。
モーター駆動装置の効率を向上させるには、システムレベルの観点から効率を分析し、動き、液体/ガスの流れ、熱源など、損失を引き起こすさまざまな要因を特定する必要があります。
電子機器の動作効率を改善するためには、まず機器の動作効率の低下の主な原因を特定することを優先する必要があります。たとえば、冷蔵庫の断熱性を向上させると、電力節約という点で目に見える成果が得られます。さらに、機器に全体の駆動効率を最大20パーセント低下させる可能性のある駆動システム (ギアまたはベルト) がある場合は、直接駆動が利用可能かどうかを検討する必要があります。詳細な分析によってのみ望ましい結果が得られ、電気自動車などの一部の複雑なシステムでは、効率は運転習慣や環境条件によっても影響を受けます。
次に考慮すべき点は、モーターの種類の選択から始まるモーター ドライブの最適化です。今のところ、効率を基準にすると、三相交流誘導（高効率タイプ）、スイッチングリラクタンス、あるいはより優れた永久磁石同期モーター（PMSM）など、ブラシレスモーターが好まれます。家電製品の分野では、従来のDCブラシ付きユニバーサル モーターに代わる製品が増えてきていますが、従来のDCブラシ付きユニバーサル モーターの欠点は、ブラシによって摩擦損失がさらに発生し、摩耗や笛のような騒音が発生しやすいことです。
モーターの種類によって動作効率は異なります
モーターでは、内部磁場と外部磁場の相互作用によって機械的トルクが生成されます。永久磁石同期モーターと非同期モーターの効率の違いは、主に構造と動作原理の違いによるものです。永久磁石同期モーターは永久磁石によって提供される磁場を利用してより高い効率を実現しますが、非同期モーターは磁場を生成するためにエネルギーを消費します。これが効率変動の主な原因であり、低負荷動作時には効率変動が最大15% 増加する可能性があります。定格電力が高い場合、効率の変動は小さくなりますが、永久磁石 (PM) モーターはAC誘導モーター (ACIM) よりも常に数パーセント効率が高く、95% 以上に達します。
永久磁石同期モーターは、起動時の電力密度が高く、トルクも高いため好まれます。これらは、銅価格の変動の影響を受けにくく、超高出力（100kW以上）モーターの分野では依然として主流であるAC誘導モーターに比べて必要な銅の量が少ないため、価格面でより競争力があります。ただし、この需要は希土類元素の磁石需要とバランスを取る必要があります。
モーターを選択する際、一部のメーカーは、誘導モーターを、一部の負荷でより効率的で、ローターに希土類永久磁石を使用しない同期リラクタンス モーターに置き換えることを推奨しています。最近の研究論文では、永久磁石補助同期リラクタンス モーターの設計が発表されています。このモーターは、リラクタンス トルクと磁気相互作用トルクを組み合わせて効率を高め、フェライト磁石の使用に伴うコストをさらに抑えます。このようなタイプのモーターは、近い将来、産業用または消費者向けアプリケーションで利用できるようになる可能性があります。
電子制御装置の観点から見ると、ブラシ付きDCモーターの動作は簡単で、低コストの汎用MCUとパワー トランジスタを使用して電流を調整し、回転方向を反転する必要がある場合は最大4つまで使用できます。同様に、ユニバーサル モーター制御では、50/60 Hzの主電圧を切断するために、トライアック モジュールまたは自動速度ドライブ (ASD) スイッチが1つだけ必要です。このモーターは、家電製品でよく使用されるブラシ付きDCモーターであり、DCバスまたはAC電源で駆動できます。磁束極性の変化は、ステータと巻線ローターの両方で反転するため、回転方向は変化しません。
力率補正は電気エネルギーの品質を改善するために使用されます
力率補正 (PFC) を実行することで電気エネルギー品質の向上を実現できる一方、センサーレス磁場指向制御 (FOC) 技術を使用することで効率的なモーター制御を実現できます。
PFCは、AC電源側の力率を改善する回路であり、スイッチング モード電源でよく使用される回路の1つです。一般的なPFCの要件には、2つのチャネルをサポートする連続導通モード (CCM) インターリーブPFC、インターリーブされた180° 位相シフト、電圧ループ、電流ループ、負荷バランスのデジタル制御、過電圧保護 (OVP)/低電圧保護 (UVP)/過電流保護 (OCP) 入力、OVP/UVPおよび過熱保護 (OTP) 出力保護、デジタル突入電流リミッタによるソフト スタートなどがあります。
デジタルPFCは、柔軟性が高く、ソフトウェアでプログラム可能なデジタルPFCの利点があり、同じハードウェアを維持しながら制御パフォーマンスを区別し、アルゴリズムのアップグレードと簡単なカスタマイズをサポートし、いつでも機能を追加/削除できるため、コンポーネント数が減ってソリューションのコストが削減され、PCBと検証の時間が節約されます。
STは、デュアル モーターFOCと高周波インターリーブ デジタル力率補正 (dPFC) の組み合わせをサポートするために、STM32G491に基づくプラットフォーム全体の制御を導入しました。SLLIMM® IPM（インテリジェントパワーモジュール）の逆トランス電源をサポートできます。コンプレッサーIPMは휂>97%の性能を持ち、ST独自のトレンチゲートフィールドストップIGBT技術を採用し、PFCは휂>96%、iTHD<2%、40kHzでのPF>0.99の特性を持ち、VIPER31補助電源部を備えています。最大入力電力4kWに対応し、高い集積度を誇り、業務用空調、データセンター、エネルギー貯蔵、ヒートポンプなどの分野に適用できます。
STM32は、同じMCU上でデジタルPFCとデュアル モーター制御をサポートし、PFCは必要なときのみオンにすることができ、コンプレッサーはより高速で磁束弱化領域に入ることができるため、モーターの効率が向上します。また、バス電圧はAC入力とモーター速度に基づいて調整でき、バス電圧の調整が改善され、モーターの動的応答が高速化され、その他のパフォーマンスも向上します。
DSPおよびFPU命令を備えたSTM32G4シリーズミックスドシグナルMCU
STM32G4シリーズは、170 MHzで動作する32ビットArm® Cortex®-M4カーネル (FPUおよびDSP命令をサポート) と、3つの異なるハードウェア アクセラレータ (ARTアクセラレータ®、CCM-SRAMルーチン ブースター、数学アクセラレータ) を統合し、高いパフォーマンスを実現します。
STM32G4シリーズには、伝播遅延が19nsと短いコンパレータ7個、4MSPS（0.25µs）をサポートするハードウェアオーバーサンプリングを備えた12ビットおよび16ビットのアナログ/デジタルコンバータ（ADC）5個、モータ制御タイマーと最大184psの分解能を持つ高解像度タイマーを備えた12ビット15MSPSのデジタル/アナログコンバータ（DAC）7個も搭載されており、その他の豊富な高度なアナログ周辺機器も提供されています。
STM32G4シリーズは、電源ユニットと力率補正、物理層 (PHY) を含む電力供給機能を備えたUSB Type-Cインターフェース、高い堅牢性、高速過渡現象に対する高い耐性、負の注入に対する堅牢なIO耐性、ハードウェア チェックサム、エラー訂正コード (ECC) を備えたデュアル バンク フラッシュ メモリ (現場でのファームウェア アップグレードをサポート)、セキュリティ保護可能なメモリ領域、RAMのパリティ チェック、FuSaソフトウェア ライブラリ (SIL) やAESハードウェア暗号化などのセキュリティ機能をサポートしています。最大3インスタンス、ペイロードのビット レートが標準CANの8倍となるFD CANをサポートします。柔軟な内部相互接続マトリックスにより、周辺機器間の自律的な通信が可能になり、CPUリソースが節約され、消費電力が削減されます。
STM32G4シリーズはSTM32F3シリーズと高い互換性があり、さまざまなパフォーマンス レベルでの派生アプリケーションの設計において優れた効率性を実現します。STM32G4シリーズのミックスドシグナルマイクロコントローラは、エントリーレベルのアナログペリフェラル汎用マイクロコントローラを搭載したSTM32G4×1ベーシックタイプシリーズ、最大数のアナログペリフェラル汎用マイクロコントローラを搭載したSTM32G4x3拡張シリーズ、および電力、照明、溶接、太陽エネルギー、デジタルスイッチモードでのワイヤレス充電などのデジタル電力変換アプリケーション向けの高解像度タイマー、複雑な波形ビルダー、イベントハンドラー（HRTIM）を備えたSTM32G4x4高解像度シリーズで構成されています。
STM32G4シリーズのパッケージ オプションは、LQPF32/48/64/80/100/128、UFBGA 64/100/121、WLCSP48/64/81、UQFN32/48で、-40 ～ 85°Cまたは -40 ～ 125°Cの温度で動作可能な32 ～ 512 KBの高速フラッシュ メモリを搭載したデバイスに適しています。
結論
電子製品におけるモーターの応用が広がるにつれ、モーターの動作効率と電池駆動機器の動作時間をいかに向上させるかが、製品開発における重要な課題となりつつあります。STが開発したマイクロコントローラの最新シリーズであるSTM32G4シリーズ ミックスドシグナルMCUは、DSPおよびFPU命令のサポートに加えて、新しい数学的演算論理ユニットと多数のアナログ周辺機器を統合しており、モーター制御に適したMCUであり、モーター関連アプリケーションの開発に最適です。