自律移動ロボット (AMR) は、安全性や効率性の向上など、さまざまな分野や業界に数多くの利点をもたらしています。しかし、AMRが安全かつ独立して動作できるようにするには、これらの複雑なシステムで複数のテクノロジーを慎重に統合する必要があり、電力制御と動作制御が2つの重要な要素となります。この記事では、AMRの設計上の考慮事項と、onsemiが提供する対応するソリューションについて説明します。
AMRの電力およびモーター制御サブシステムは重要な役割を果たしている
自動運転車と同様の性能を持つAMRは、一連のサブシステムで構成された複雑な設計です。これらのロボットは、人間の介入を最小限に抑えて安全に移動、観察、操作することができます。柔軟でインテリジェントなAMRを作成するには、電力および動作制御テクノロジの役割が重要です。時間の経過とともに、個々のシステムとコンポーネントの選択は、これらの高度なソリューションのパフォーマンスと信頼性に大きな影響を与える可能性があります。
まず、AMRで使用される電源システムとコンポーネントは、バッテリーの全体的な寿命と動作時間に大きな影響を与えます。AMRの電源システムを設計する場合、エネルギー密度、電圧と電流の要件、効率、ソリューションのサイズ、その他の重要なパフォーマンス特性とパラメータなどの要素を考慮する必要があります。
AMRでは、エネルギー密度が高く、動作時間が長いため、一般的にリチウムイオン電池が使用されます。電源管理ユニットは、バッテリーから他のコンポーネントへの電力の流れを制御します。電圧と電流のレベルは、スイッチングコンバータとレギュレータを使用して制御されます。AMRのバッテリー管理システムは、バッテリーの状態、充電レベル、温度、電流を監視して、AMRが安全かつ効率的に動作することを保証します。一方、オンボード バッテリー チャージャーの仕様は、バッテリーの種類、容量、電圧によって異なります。インテリジェント電源モジュールは、モーター制御システムに高電力スイッチングを提供し、IPMの電源スイッチには、スイッチのオン/オフを切り替えるために必要な信号を提供するゲート ドライバが装備されています。力率補正 (PFC) コントローラは、電力システム全体の効率を向上させることができます。
第二に、AMRでは、ロボットのアームと車輪を動かすためにモーター駆動アクチュエータが使用されるため、その選択が重要になります。AMRには、効率的でコンパクトかつ軽量な高トルク、高速アクチュエータが必要です。アクチュエータを選択する際には、ブラシレスDC (BLDC) モーター、モーター コントローラー、MOSFET、ユニバーサル コントローラー ボード (UCB)、ゲート ドライバーなどのコンポーネントを確認することが重要です。
ブラシ付きモーターと比較して、BLDCモーターにはいくつかの利点があります。BLDCモーターは効率が高く、騒音が少なく、信頼性が高く、メンテナンス作業が軽減されるため、AMRで広く使用されています。ただし、このようなモーターを制御するには複雑なアルゴリズムと適切なドライバーが必要であり、ロボットや産業用ドライブでは3相BLDCモーターが一般的に使用されています。
モーター コントローラーは、AMRアクチュエーター内のモーターを正確に制御する役割を担います。これらのデバイスは、制御アルゴリズムを埋め込むか、専用のマイクロコントローラ ユニット (MCU) を使用してモーター制御アルゴリズムを実行することで、完全に統合できます。AMRの一般的な3相モーターは、パワー トランジスタによるパルス幅変調 (PWM) オン/オフ信号を使用して駆動されます。これらのスイッチは、シリコンまたはシリコンカーバイド (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などのワイドバンドギャップ材料で作ることができます。
信頼性の高いインテリジェントな電力およびモーター制御ソリューション
onsemiは、信頼性の高いインテリジェントな電源、モーター制御、センシング ソリューションを幅広く提供し、設計の複雑さを簡素化して顧客に強固な基盤を提供します。これらのサブシステム ソリューションは、堅牢な高解像度イメージング システムから高出力モーター制御、効率的でコンパクトなバッテリー充電ソリューションまで、自動車業界におけるオンセミコンダクターの数十年にわたる経験と技術的専門知識に基づいて構築されています。オンセミコンダクターの一連のソリューションは開発プロセスを合理化し、最も要求の厳しい作業環境でもAMRが迅速に適応し、確実に動作することを保証します。
電源アプリケーション向けに、オンセミコンダクターは、AC-DC電源アプリケーションに最適なさまざまな力率補正 (PFC) コントローラを提供しています。これらのコントローラは、トーテムポール ブリッジレスPFCフロントエンドやLLC共振トポロジに基づくDC-DCステージなどのアプリケーションで使用できます。また、高電圧DC-DCパワー ステージにも適しているため、AMR用の高効率で高密度の高速バッテリ チャージャーの設計に最適です。
BLDCモーター制御ソリューションでは、Onsemiは、ECS640A ecoSpin™ モーター制御UCB、NCP81075ゲート ドライバー、AMRアクチュエータの開発を加速できる電源ボードなど、さまざまなコンポーネントを提供しています。
UCBは、Xilinx® Zynq®-7000 SoCをベースにしたシステムオンモジュール (SoM) であり、高精度アプリケーションに適しており、高度な人工知能 (AI) にも使用できます。さらに、オンセミコンダクターは、30V ～ 150Vの範囲でシールド ゲート トレンチ技術に基づくMOSFETを、u8FL、SO8-FL、デュアル冷却、上面冷却などのパッケージ オプションとともに提供しています。
T10テクノロジーに基づく新しい30 ～ 40 Vおよび80 V MOSFETは、低電圧アプリケーションと中電圧アプリケーションの両方をサポートするように設計されています。T10デバイスは、電力変換用とモーター制御用の2つの主なタイプに分類されます。モーター制御アプリケーション向けのT10Mデバイスは、クラス最高のオン状態抵抗、UIS機能の10% 向上、および優れたボディ ダイオードのソフトネス回復性能を提供します。これらの機能は、モーター制御アプリケーションにおける電圧スパイクを低減し、EMIの問題に対処するのに役立ちます。
3相BLDCモーターを使用する高出力アプリケーションの場合、オンセミコンダクターは、定格電圧が80V、100V、120V、150VのPTNGテクノロジに基づくMOSFETの使用を推奨しています。さらに、NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC、およびNTBLS4D3N15MC MOSFETは、高性能アプリケーションの要件を満たすのに適しています。
高度に統合された低電力三相BLDCモーターコントローラー
onsemiのECS640Aは、ecoSpin™ 構成可能なモーター制御シリーズの最新製品です。これは、超低消費電力に最適化されたArm Cortex-M0+ マイクロコントローラ、3つの電流検出アンプ、リファレンス アンプ (NCS20034)、3つのブートストラップ ダイオード、および最大600VのMOSFETおよびIGBTを駆動できる高電圧および高速動作向けに設計された高電圧ゲート ドライバ (FAN73896) を統合した3相BLDCモーター コントローラです。
ECS640Aは、外部電源デバイスに350 mA/650 mA (標準) のゲート電流を供給する6つのゲート ドライバ出力を備えています。このデバイスには、センサ付きまたはセンサなしの動作をサポートするホール センサ入力と、単一または複数の電流シャント測定を可能にする3つの独立したローサイド ソース ピン構成が含まれています。ECS640Aの保護機能には、低電圧ロックアウト、インバーター過電流シャットダウン、自動障害クリア機能が含まれます。また、障害状態を示すオープンドレイン障害信号も提供します。
ECS640Aには、Direct Torque and Flux Control (DTFC) ファームウェアが搭載され、Arm Cortex-M0+ プラットフォームで最適なモーター パフォーマンスを実現できるようになりました。お客様は、Theta Power Systems, Intl. からDTFCコード ライセンスを直接取得できます。ECS640Aは、フットプリントが小さく、統合レベルが高いため、個別の電源デバイスに最適で、クロスプラットフォームのスケーラビリティを最大限に高め、電力レベルの拡大に伴うスペース要件を最小限に抑えます。
ECS640Aには、64 kBのフラッシュ メモリと8 kBのSRAMサポートを備えた組み込みArm Cortex-M0+ マイクロコントローラが搭載されています。また、600V FAN73896ゲート ドライバーと、7 MHz、高スルー レート、レールツーレール クワッド アンプNCS20034もサポートしており、これらはすべて小型のSiPに収められており、使いやすいユーザー フレンドリーな環境を備えています。
ECS640Aは、冷凍コンプレッサーおよびブロワー、HVACブロワーおよびコンデンサー、プール ポンプ、産業用ドライブ、ポンプ、ロボットなどのアプリケーションで一般的に使用されます。ECS640Aを利用する一般的な最終製品には、冷蔵庫、ボトルクーラー、民生用エアコン、HVAC送風機、業務用エアコン、白物家電、コボットなどがあります。
高性能デュアルMOSFETゲートドライバ
NCP81075は、オンセミコンダクター社が発表した高性能デュアルMOSFETゲート ドライバです。同期降圧コンバータのハイサイドおよびローサイドパワーMOSFETのゲートを駆動するように最適化されています。NCP81075はゲート ドライバICとブートストラップ ダイオードをオンチップに統合しているため、外付けの個別ダイオードは不要です。最大4Aの高い駆動能力を備えており、最大180Vの電圧で動作する高速、高電圧MOSFETの駆動に適しています。ハイサイド ドライバとローサイド ドライバは独立して制御可能で、ターンオンとターンオフの伝播遅延が一致しており、標準で4 ns、標準で3.5 nsの伝播遅延が一致しています。
NCP81075は、ハイサイドとローサイドの2つのNチャネルMOSFETを駆動できます。内部ブートストラップダイオードを統合しており、最大180Vのブートストラップ電圧供給が可能です。このゲート ドライバは、最大1 MHzの高スイッチング周波数で動作できます。プルアップ電流能力は4A、プルダウン電流能力は4Aで、高速スイッチング アプリケーションの駆動に適しています。標準的な立ち上がり時間と立ち下がり時間はそれぞれ8nsと7nsで、1nFの負荷を駆動できます。NCP81075は、8.5V ～ 20Vの広い電源電圧範囲で動作します。
さらに、NCP81075は、標準値20nsの高速伝播遅延時間と、2ns (標準) のマッチング遅延を特徴としています。動作温度範囲は-40℃～140℃と広く、さまざまな環境に適しています。°°このデバイスには、駆動電圧が特定のしきい値を下回ると出力を強制的に低くする低電圧ロックアウト (UVLO) 保護機能が搭載されています。このUVLO保護は、安全で信頼性の高い動作を保証するのに役立ちます。
NCP81075は、SOIC-8 (D)、DFN8 (MN)、およびWDFN10 (MT) パッケージで提供されます。これらのデバイスは鉛フリー、ハロゲンフリー/BFRフリーで、RoHS規格に準拠しています。これらは、電気通信、データ通信、高電圧降圧コンバータ、絶縁電源、クラスDオーディオ アンプ、デュアル スイッチ、アクティブ クランプ フォワード コンバータなど、幅広い用途に使用されています。NCP81075は、ソーラー オプティマイザーやソーラー インバータ アプリケーションでの使用にも適しています。
結論
AMRの応用はさまざまな業界で拡大し続けています。ただし、AMRアプリケーションが成功するには、さまざまなテクノロジを統合して、自律的、確実、安全に動作することが求められます。設計段階で適切なテクノロジーを選択することが重要です。onsemiは、電源およびモーター制御ソリューションだけでなく、幅広いセンサー (画像、温度、LiDAR、回転動作、可視光通信など) や照明および通信のソリューションも提供できます。この包括的な製品ラインナップにより、AMRの潜在能力を最大限に引き出すことができ、AMRアプリケーションを開発するエンジニアにとって、onsemiは理想的なパートナーとなります。