よりコンパクトでシンプル、そして使いやすい電動製品に対する顧客の需要は高まり続けています。高出力モーター制御 (最大140W)、USB PD機能、外部コンポーネントの必要性を最小限に抑えることの組み合わせは実現が難しいものでしたが、Infineonの最新製品はまさにそれを実現します。この記事では、 Infineon EZ-PD™ PMG1-S3モーター コントローラーを使用してブラシレスDCモーターを制御する方法について説明します。
EZ-PD™ PMG1の紹介
InfineonのEZ-PD™ PMG1は、高電圧USB-C電力供給 (PD) MCUファミリです。これらのチップには、Arm® Cortex®-M0/M0+ CPU、USB-C PDコントローラー、アナログおよびデジタル周辺機器が含まれています。EZ-PD™ PMG1は、高電圧USB-C PDポートに電力を供給したり、そこから電力を消費したりし、MCUを活用して追加の制御機能を提供する組み込みシステムを対象としています。PMG1 MCUファミリは、USB PDおよびType-C規格に完全に準拠しています。表1 は、EZ-PD™ PMG1-SxファミリのさまざまなMCUの機能を比較しています。
表1: さまざまなEZ-PD™ PMG1-SxファミリーMCUの機能の比較
| サブシステムまたは範囲 | アイテム | PMG1-S0 | PMG1-S1 | PMG1-S2 | PMG1-S3 |
|---|---|---|---|---|---|
| CPUとメモリサブシステム | コア | 腕® 皮質®-M0 | 腕® 皮質®-M0 | 腕® 皮質®-M0 | 腕® 皮質®-M0+ |
| 最大周波数（MHz） | 48 | 48 | 48 | 48 | |
| フラッシュ（KB） | 64 | 128 | 128 | 256 | |
| メモリ (KB) | 8 | 12 | 8 | 32 | |
| 電力供給 | PDポート | 1 | 1 | 1 | 48-QFN用1ポート 97-BGA用2ポート |
| 役割 | シンク | DR-P | DR-P | DR-P | |
| MOSFETゲートドライバ | 2×PFET | 2×PFET | 2×NFET | フレキシブル2× NFET | |
| 障害保護 | VBUS OVPとUVP | VBUS OVP、UVP、OCP SCPおよびRCP (ソース構成のみ) |
VBUS OVP、UVP、OCP | VBUS OVP、UVP、OCP SCPおよびRCP (ソース構成のみ) |
|
| USB | ビルボードクラスをサポートするフルスピードUSB 2.0デバイスを統合 | いいえ | いいえ | はい | はい |
| 電圧範囲 | 供給（V） | VDDD (2.7 ～ 5.5) VBUS (4 ～ 21.5) |
VSYS (2.75 ～ 5.5) VBUS(4 ～ 21.5) |
VSYS (2.7 ～ 5.5) VBUS (4 ～ 21.5) |
VSYS (2.8 ～ 5.5) VBUS (4 ～ 28) |
| I/O (V) | 1.71から5.5 | 1.71から5.5 | 1.71から5.5 | 1.71から5.5 | |
| SCB (I2C/UART/SPIとして構成可能) | 2 | 4 | 4 | 48-QFNの場合は7個（うち5個はSPIおよびUARTとして構成可能） 97-BGAの場合は8個 |
|
| TCPWMブロック (タイマー、カウンター、またはパルス幅変調器として構成可能) | 4 | 2 | 4 | 48-QFNの場合は7 97-BGAの場合は8 |
|
| ハードウェア認証ブロック（暗号） | いいえ | いいえ | はい (AES-128/192/256、SHA1、SHA2-224、SHA2-256、PRNG、CRC) | はい (AES-128、SHA2-256、TRNG、ベクターユニット) | |
| アナログ | アドバンスト | 2×8ビットSAR | 1×8ビットSAR | 2×8ビットSAR | 2× 8ビットSAR 1× 12ビットSAR |
| オンチップ温度センサー | はい | はい | はい | はい | |
| ダイレクトメモリアクセス (DMA) | DMA | いいえ | いいえ | いいえ | はい |
| GPIO | 最大I/O数 | 12 (10+2オーバータイム) | 127 (15+2オーバータイム) | 20 (18+2オーバータイム) | 48-QFN の場合は26 (24+2 OVT)、97-BGAの場合は50 (48+2 OVT) |
| 充電規格 | 充電源 | - | 紀元前1.2年、紀元後 | 紀元前1.2年、紀元後 | BC 1.2、AC、AFC、クイックチャージ3.0 |
| 充電シンク | BC 1.2、Apple充電（AC） | 紀元前1.2年、紀元後 | 紀元前1.2年、紀元後 | 紀元前1.2年、紀元後 | |
| ESD保護 | ESD保護 | はい（最大 ±8kV接触放電、最大 ±15 kV空中放電、人体モデルおよび充電デバイスモデル） | はい（人体モデルと充電デバイスモデル） | はい（最大 ±8kV接触放電、最大 ±15 kV空中放電、人体モデルおよび充電デバイスモデル） | はい（人体モデルと充電デバイスモデル） |
| パッケージ | パッケージオプション | 24-QFN（4 × 4mm、0.5mmピッチ） | 40-QFN（6 × 6mm、0.5mmピッチ） 42-CSP（2.63 × 3.18mm、0.4mmピッチ） |
40-QFN（6 × 6mm、0.5mmピッチ） | 48-QFN（6 × 6 mm、0.5 mmピッチ） 97-BGA（6 × 6 mm、0.5 mmおよび0.65 mmピッチ） |
ブラシレスDCモーターの紹介
ブラシレスDC (BLDC) モーターは、永久磁石同期機の広いカテゴリに分類され、永久磁石で作られたローターと銅コイルで作られた三相巻線を収容するステーターで構成されます。カーボン接触ブラシを使用して機械的に整流されるブラシ付きモーターとは異なり、ブラシレスモーターでは、整流がマイクロコントローラを使用して電子的に処理されるため、ブラシは必要ありません。ステータとローターの間に電気的接触がないため、ブラシレス モーターにはブラシ付きモーターに比べていくつかの利点があります。それらのいくつかは、より高い効率、高いトルクと速度、メンテナンスの低減、低騒音動作、および高いトルク対重量比です。
AC同期モーター、AC誘導 (非同期) モーター、ステッピング モーター、永久磁石同期モーター (PMSM) など、ブラシレス モーターの種類は他にもいくつかありますが、BLDCモーターの主な特徴は、モーターが回転するときに生成される逆起電力が台形形状であることです。これは主にステータの巻き方によるものです。3つの相のそれぞれを流れる電流は、マイクロコントローラを使用して特定のシーケンスに従って切り替えられ、ステータ内に回転磁界が生成されます。永久磁石を含むローターは、それらの間の磁束結合によってこの回転磁界を追跡しようとし、したがってステーター磁界の後ろで回転します。これがブラシレスモーターの動作の主な原理を形成します。
ブラシレスモーターの構造
ブラシレスモーターは物理的には、永久磁極を含むローター鋼鉄コアと、三相巻線を収容するステーター鋼鉄コアの2つの部分で構成されています ( 図1 を参照)。ローターはステータの内側（インランナー）またはステータの外側（アウトランナー）に配置できます。どちらの場合も、ローターとステーターの間には電気的接触はありません。ステータ上の三相巻線は、図に示すように、スター型（Y型）またはデルタ型のいずれかで接続できます。 図1。これはモーターのトルクや速度などの特性を決定しますが、制御戦略にはほとんど影響しません。制御戦略についてはセクション4で説明します。同様に、ローター上の磁極ペアの数とステーター上のスロットの数も生成されるトルクに影響を与えます。一般的に、ローター上の磁極の数が多いほど、生成されるトルクは高くなります。図1 8つのローター極 (4つの極対) と9つのステーター スロットを備えたBLDCモーターを示します。
ブラシレスモーター駆動方式
ブラシレスモーターは、図に示すように、ブラシレスモーター巻線のA、B、Cなどの3つの端子に電流を供給する3相（A、B、C）を生成する3相インバータ回路から電力を得ます。 図1。AC電源駆動ドライブでは、三相AC電圧がモーターの端子に直接供給されます。ただし、DC電源で駆動されるブラシレスDC (BLDC) モーターの場合、3相インバータ回路は直流を3相電圧に変換するタスクを実行し、マイクロコントローラによって特定のシーケンスで連続的に切り替えられます。このスイッチングシーケンスは、ステータに対するローターの位置の変化に依存します。したがって、BLDCモーターは、ローターの現在の位置を決定するために位置フィードバック信号を使用して閉ループで動作することがよくあります。これにより、制御方式は、センサー制御とセンサーレス制御の2つのカテゴリに分類されます。
センサー付きBLDCモーター制御
センサー制御技術では、適切なタイプの位置センサー（多くの場合、ホール効果センサー）がローターの円周に沿って配置されます。ローター上に配置された永久磁極によって生じる磁場の相互作用により、ホール センサーの出力端子に対応する電圧が生成されます。この電圧はマイクロコントローラーによって読み取られ、ホール センサーの周りのローター極の遷移 (NからSまたはSからN) が判定されます。この遷移点に基づいて、位相が変換されます。ステータ周囲のローターの動きに関する完全な情報を読み取るために、3つのホール センサーを60度または120度の電気角度で配置する必要があります。センサー制御の主な利点は、ローターが静止しているときでもローターの位置がわかることです。ただし、センサー制御方式はシステムの堅牢性に影響を与える可能性があるため、過酷な環境での使用は推奨されません。
センサレスBLDCモーター制御
センサレス制御は、その名前が示すように、ローターの位置を決定するためにセンサー インターフェイスを使用しません。ローターの位置に関する情報は、ローターが動いているときに各3相巻線で生成される逆起電力信号に基づいてのみ判明します。ステータ内の相巻線の性質によって、逆起電力プロファイルの形状が決まります。通常、BLDCモーターは台形の逆起電力波形を特徴とします。センサーレス制御を使用する主な利点は、制御戦略に繊細なセンサーが存在しないことによって得られる堅牢性機能です。ただし、逆起電力の瞬間的な大きさは、ローターの速度と使用される整流技術の種類に依存し、次の式で表されます。
푣퐵퐸푀퐹 = E x F(휃푒)
퐸 = ヘーヘピン
どこ
E は逆起電力の最大値である。
F(Θe) は使用される整流技術に依存する関数である。
Ke はモーターの逆起電力定数で、mV-s/radで表されます。
ω は回転子の角速度（rad/s）である。
Θe は回転子の瞬間的な電気角位置（rad）である。
しかし、ローターが静止しているときや回転速度が非常に低いときは、逆起電力の振幅がゼロか非常に低く、感知できないため、このような場合にはローターの位置が分からないという大きな問題が起こります。したがって、制御は、逆起電力信号レベルが読み取り可能なしきい値RPMに達するまで、モーターをオープン ループで駆動する必要があります。
アプリケーションの概要
BLDCモーター アプリケーションは、従来のAC誘導モーターやブラシ付きDCモーターに比べて多くの利点があるため、電子市場で人気が高まっています。現在、BLDCモーターによって作動する低電力の民生用電子機器の多くは、入力電源として固定のAC - DC電源アダプターに依存しています。ブラシ付きACモーターまたはAC誘導モーターのいずれかを使用して壁のコンセントから直接AC電力を受け取るソリューションは他にほとんどありません。しかし、BLDCモーターのエネルギー効率、制御性、およびエレクトロニクス分野の急速な成長を考慮すると、BLDCモーターの使用に移行する市場傾向があります。
これに加えて、USB Power Delivery (PD) 市場の現在の成長傾向により、多くの民生用電子機器にとって理想的な選択肢であるため、モーター制御用のUSB PD統合ソリューションの需要が生まれています。InfineonのEZ-PD™ PMG1デバイスは、USB Power Deliveryを備えた高電圧マイクロコントローラ ファミリであり、このような統合ソリューションの開発に最適に設計されています。したがって、このアプリケーション ノートでは、EZ-PD™ PMG1-S3デバイスを使用して、最大140 WのUSB PD駆動のセンサレスBLDCモーターを制御する統合シングルチップ ソリューションを紹介します。
ソリューション例
図2のブロック図は、USB PD駆動のセンサレスBLDCモーター制御をサポートするためにEZ-PD PMG1-S3デバイス上に開発された統合ソリューションを示しています。 ™ このソリューションは、USB PDソースをユニバーサルDC電源として使用し、標準のUSB Type-Cケーブルを介して最大140ワットの電力を供給して、さまざまな電動デバイスを稼働させることを目的としています。このソリューションでは、EZ-PD™ PMG1-S3 MCU以外のモーター制御用の外部コンポーネントは最小限しか使用しません。ここで、PMG1-S3はUSB PDコントローラーとBLDCモーター コントローラーの両方として機能します。BLDCモーター制御用の外部インターフェースには、BLDCモーターを駆動するための電源回路を形成する3相MOSFETインバータ回路とゲート ドライバーASICが含まれます。さらに、受動電子部品はフィルターや電圧分割回路の不可欠な部分を形成します。
この記事の残りの部分を読み、Infineonソリューションを使用してUSB PDセンサーレス ブラシレスDC (BLDC) モーター コントローラーをセットアップするプロセスを詳しく理解するには、以下をクリックしてダウンロードしてください。