モーターは、バルブ、ポンプ、HVACシステムなど、電力を必要とするさまざまな電子製品で広く使用されており、その動作を制御するにはモーター ドライバーが必要です。位置センサーと組み合わせると、モーターの動作位置、トルク、速度をより正確に制御でき、モーターの動作の精度と効率が向上します。この記事では、Melexisが提供する1 ～ 1000Wのモーターに適した位置センサーとさまざまなモーター駆動ソリューションの技術開発について紹介します。
モーターの整流と位置決め用位置センサー
モーター駆動は、さまざまなユースケースに適用される複雑な分野です。一部のモーター ドライブは位置センサーなしでも (センサーレス) 完全に動作しますが、より正確なモーター制御を行うには、位置センサーの追加が必要になる場合があります。モーター制御には複数のフィードバック ループがあり、1つは整流に使用され、もう1つは位置決めに使用されます。システムと部品表 (BOM) を最適化するには異なる特性が必要になるため、これらの制御ループでは必ずしも同じ位置センサーを使用する必要はありません。位置センサーは、システムの位置、トルク、速度の制御を強化できます。
モーターの位置制御により、起動時および動作全体を通じて既知の（安全な）位置を実現できます。特にステッピング モーターを使用する場合にステップの欠落を回避し、低速および低騒音動作のトルク制御を容易にします。特にポンプなどの大型モーターに適しています。さらに、モーターの速度制御には、高い動的負荷に対応できる、信頼性が高く低速のドライブ起動機能が求められます。
モーター整流の場合、位置センサーは、さまざまな種類のモーターのモーター整流制御ループ内のコンポーネントとして機能します。モーター制御アルゴリズムは、コイルを流れる電流とその電流のタイミングを決定し、磁場が適用される角度がローターの磁場方向と直交するようにして効率を最大化します。モーター制御アルゴリズムのタイプは、モーターの設計とセンサーのタイプによって異なります。たとえば、ブラシレスDCモーター (BLDC) は、台形制御、正弦波制御、およびフィールド指向制御モードで動作できます。
台形制御は基本モードとして機能し、ラッチ/スイッチの読み取りに基づいてローターの位置を決定します。これはBLDCの要件を満たし、高速整流を可能にしますが、予期しないトルクリップルが発生し、特に電気自動車などのアプリケーションでは加速が不均一になる可能性があります。
正弦波制御またはフィールド指向制御の方がパフォーマンスは優れていますが、ローター角度位置（はるかに高い分解能の角度）の精度に依存します。角度位置が正確であればあるほど効率が高くなり、アプリケーションによっては安全性の向上につながります。これらの制御アルゴリズムは、永久磁石同期モーター (PMSM) にも適用できます。
位置センサーは、モーターの位置に関係なく、位置センサーが正しいバルブの位置を確保する重要なスマート バルブに見られるように、位置決めなどのアプリケーションにも使用されます。もう1つの例は、サーボ モーターを使用してロボット アームのジョイントを正確に配置することです。この場合、モーターの整流に使用される位置センサーは、モーターの位置決めに使用される位置センサーとは異なる場合があります。
モーターの位置決め要件を満たすローター位置センサー
自動車の電動化時代の到来により、純電気自動車の需要が急速に高まり、また、伝動ニーズのある各種電気機器にもさまざまなモーターが必要となり、市場の急速な拡大を牽引しています。現在も将来も、あらゆる電気自動車を含む多くの機器には、経済的で高性能なモーターが必要です。そして、すべてのモーターには、正確で多用途、そしてコスト効率に優れたローター位置センサーが必要です。
たとえば、同期モーターでは、モーターのトルク制御を駆動するためにセンサー信号を使用する必要がありますが、同期中にこれらの信号にエラーが発生すると、システム全体のパフォーマンスが低下し、安全性の問題が発生する可能性があります。したがって、ローター位置センサーを使用すると、モーターのトルク制御の安全性が向上します。
高速ローター位置センサーには通常、可変リラクタンス (VR) リゾルバ、磁気リゾルバ、誘導リゾルバの3種類があります。VRリゾルバは、電気自動車のトラクション モーターで最も一般的に使用される位置センサーであり、強磁性ローターと複数の二次コイルを備えたステーターで構成されています。VRレゾルバは、モーターの位置検出アプリケーションで長年広く使用されており、優れた堅牢性により過酷な環境でも優位性を発揮します。
磁気リゾルバはホール効果センサーを使用し、大幅なコスト上の利点を提供します。VRレゾルバの特性を備えているだけでなく、コンパクトなサイズも実現しています。誘導型レゾルバは、高精度、広い速度範囲、および漂遊磁場に対する耐性を備えています。同時に、VRリゾルバ技術と比較して、電気駆動システム全体のコストが削減されます。
正確で信頼性の高い動作を確保するには、優れたローター位置センサーが200,000 e-rpm (毎分電気回転数) を超える速度で正確で信頼性の高い位置検知を提供する必要があります。最大限の効率、最適なトルク制御、低いトルク変動を保証するために、高精度の位置検知をサポートする必要があります。また、センサーは漂遊磁場に対する耐性と、さまざまなモーター設計やセンサー配置に柔軟に対応できる設計を備えている必要があります。さらに、軽量でコスト効率が高いという利点も備えているはずです。
さまざまなモーターアプリケーションのニーズを満たすさまざまなソリューション
高速モーター整流アプリケーションに適用する場合、解像度に基づいてソリューションを選択できます。マルチチップ アーキテクチャでは、ラッチ/スイッチを低解像度で使用し、リニア ホール センサーを高解像度で使用できます。シングルチップアーキテクチャ（または冗長性のためのデュアルチップ）では、角度リゾルバを高解像度で使用できます。
ラッチ/スイッチをモーターの整流に使用する場合、ラッチ/スイッチ製品はマルチチップ構成でステータ内に配置されます。これらは、たとえば各相に1つずつ、合計3つのチップを使用して、ブラシレスDCモーターの台形制御に最適です。
モーターの整流にリニア ホール センサーを使用する場合、ラッチ型ホール センサーの代わりにリニア ホール効果センサーを使用できます。直交位相で使用される複数のセンサーは、高い角度分解能でローターの絶対角度を提供でき、そのアナログ出力を使用して、専用のアルゴリズムを通じてより正確なローター位置を計算できます。そのため、モーターの整流点の検出だけでなく、正確な位置制御にも適しています。
さらに、磁気式または誘導式のレゾルバをモーターの整流制御に使用できます。リゾルバまたはモーター リゾルバは、ローター磁束に比率アナログ正弦/余弦出力を提供する高速チップ ソリューションです。これらの出力はローターの位置を表し、モーターの位置を検出するために使用できます。最新世代の製品は、軸上 (シャフトの端) または軸外 (シャフト経由) のいずれにも配置できます。
一部のモーター アプリケーションには、位置決め用の追加の制御ループがある場合があります。たとえば、バルブなどの低速で動作するアクチュエータや、アプリケーション内の内部ギアボックスが高速/低トルク回転を低速/高トルク回転に変換する場合などです。ギアボックスの継続的な摩耗により、ローターの位置とモーターの出力軸との1対1の関係が徐々に失われます。したがって、特定の設計では、出力軸に追加の位置センサーが取り付けられます。
包括的なモーター整流および位置決めソリューション
Melexisは、ラッチ/スイッチ、リニア ホール センサー、角度リゾルバなど、モーターの整流や位置決め用のさまざまな磁気位置センサー チップを導入しました。
ラッチ＆スイッチ
従来のホール効果センサーの多くはICに垂直な磁束にのみ反応するため、必要な測定を実現するには複雑な (したがって大きくて高価な) カスタム磁気構造の開発が必要になる場合があります。Melexisは、革新的な磁気Triaxis® テクノロジーを活用し、横方向の磁束成分を測定できる、事前にプログラムされた、またはプログラム可能な固定パラメータを備えたラッチ センサーとスイッチ センサーを幅広く提供しています。Melexisは、ダイ表面に対して垂直に適用される磁気誘導強度を感知するセンサーに加えて、横方向の磁束密度を感知できるラッチ センサーを導入し、磁石 (ローターまたは感知磁石) に対するセンサーの配置の柔軟性を大幅に向上させました。これらのセンサーは、シングルダイTSOT-3LまたはTO92-3Lパッケージで提供されます。さらに、MelexisはASIL Bをサポートする初のラッチ/スイッチ チップを発売しました。
リニアホール
MLX90290は、アナログ比率出力を備えた、工場でプログラムされたSMDの超高速リニア ホール センサー チップです。小ストローク回転、リニア位置検知、ACおよびDC電流検知アプリケーション、ブラシレスDCモーターの整流アプリケーションなどのアプリケーションに適しています。リニア ホール効果センサー チップは、動作バイアス電圧が3.3VDCおよび5VDCの回路と互換性があります。このチップは、ほとんどの永久磁石 (AlNiCo、NeFeB、フェライトなど) を使用して位置検出の温度補正を行うことができます。電流検知アプリケーションには、0ppm/°Cのバージョンが用意されています。
リゾルバ
磁気
MelexisのMLX90380は、ブラシレス モーター、特に自動車アプリケーションや迅速な位置読み取りを必要とするその他のアプリケーションに適した、高速で事前にプログラムされた磁気レゾルバ チップです。もう1つのチップであるMLX90381は、最大50,000 e-rpmの回転速度を測定できる3D磁気角度レゾルバ チップです。このチップは、最小のフットプリント、モジュール レベルのプログラミング機能、コスト効率、ASIL標準への準拠を特徴とし、信頼性の高いモーター設計向けに最適化されています。
誘導的
Melexisは最先端の誘導性リゾルバ ソリューションを提供します。MLX90510とMLX90517は、高精度 (最大 ±0.36° elから240000 e-rpm) で非常に高速をサポートします。
磁力計
Melexisは、さまざまな低速角度位置センサー チップも提供しています。低速とは、更新頻度が200 µs以上であることを意味します。その中で、MLX90392 / MLX90393 / MLX90395 / MLX90397は、後処理を必要とする価値に最適化された磁力計であり、民生用または自動車用アプリケーションに適しています。
位置センサー
磁気
MLX9042xシリーズは、厳しい要件を伴うコスト重視のアプリケーション向けに設計された磁気位置センサー チップの主流シリーズです。MLX9037xシリーズは、磁気位置センサー チップにおいて高性能、高安全性、包括的な機能セットを提供するパフォーマンス重視のシリーズです。
誘導的
MLX90513は最高級の誘導位置センサーです。誘導技術は現在、Melexisで幅広く利用可能です。完全な漂遊磁場耐性、高い安全基準、そして要求の厳しいアプリケーションでもより高い精度を実現します。
LINモータードライバー
Melexisの完全に統合されたLINモーター ドライブ チップとプリドライブ チップは、BoMコストを削減し、自動車のメカトロニクス アプリケーションにおけるモーター制御フラップ、バルブ、ファン、ポンプの設計を簡素化します。これらのデバイスは、ロボットシステムや電動自転車/電動スクーターにも使用できます。LINモーター ドライブ チップは、2線式DCモーター、3線式ブラシレスDCモーター、または4線式バイポーラ ステッピング モーターをサポートし、センサー付きまたはセンサーなしのフィールド指向制御 (FOC) アルゴリズムを使用できます。
Melexisの第3世代組み込みドライブ チップ シリーズには、1 ～ 10 Wアプリケーション向けのMLX81330、MLX81332、MLX81334 LINドライブ チップと、10 ～ 2000 Wアプリケーション向けのMLX81340、MLX81344、MLX81346 LINプリドライバ チップが含まれています。特に、MelexisはMLX81346により完全に統合されたシステム オンチップ (SoC) 48 Vプリドライバ チップを市場に投入した先駆者です。
結論
位置センサーのサポートにより、モータードライブは位置、トルク、速度制御に関連する特定のアプリケーション要件を満たすことができ、モーターの動作の精度と効率の向上に貢献します。Melexisは、モーター向けのさまざまなセンシングおよび駆動ソリューションを提供しており、メカトロニクス アプリケーションの最適化に最適です。