効率的なモーター制御ハードウェアおよびソフトウェアソリューション

産業オートメーション、車両の電動化、スマートホーム技術の急速な発展に伴い、効率的なモーター制御技術は現代のエンジニアリングにおいて欠かせない一部となっています。エネルギー変換と動力駆動のためのコアデバイスとして、モーターの効率性、信頼性、インテリジェンスはシステム全体のパフォーマンスに直接影響を与えます。そのため、効率的なモーター制御のための包括的なハードウェアとソフトウェアのソリューションを設計することは、エネルギー消費を削減するだけでなく、多様なアプリケーションニーズを満たすための正確な制御を実現することができます。この記事では、モーター制御技術の開発動向と、この分野におけるNXPとArrowの利点およびソリューションについて紹介します。

モータードライブは、産業およびIoTアプリケーションにおいてしばしば必要とされ、エネルギー効率の要求が電力エネルギーの評価とヒートポンプの成長を促進し、低電力システムの需要の増加につながります。このことは、持続可能な発展のトレンドに対応するために、超低電圧ドライブやバッテリーを基盤としたシステムの必要性を生み出します。さらに、効率的なドライブモーターの需要も増加しており、新たな種類のモーターや効率的な制御アルゴリズムが必要とされています。同期制御の観点では、産業ネットワーキングと多軸モーションコントロールの需要が高まる中、ドライブ効率を追求する必要性が促進されます。

一方で、安全性とセキュリティの需要が高まる中、システムは機能安全性とサイバーセキュリティをより重視し、システムの信頼性を向上させるために堅牢性、予知保全、および産業標準への適合に努めています。

しかしながら、モーター制御は市場の断片化、多様な利用ケース、そして部品表や設計コストの削減に対する家庭用電化製品市場の需要の増加など、数多くの市場課題に直面しています。さらに、産業機能安全要件に関連する課題、モーター制御顧客の専門知識のレベルの差異、数多くの独自のモーター制御ツールやソフトウェアの出現、電力段階でのシステムレベルソリューションなど、モーター制御用途にとっての課題が存在します。

モーター制御には、ブラシ付きDC、ステッパー、ブラシレスDC（BLDC）、永久磁石同期モーター（PMSM）、および交流誘導モーター（ACIM）など、さまざまな種類があり、さまざまな垂直市場をカバーしています。これらの市場での成長を促進する主要なトレンドとしては、省エネルギーの追求、ヒートポンプおよび超低電圧モータードライブの必要性、自動化のトレンドが挙げられます。これにより、サーボドライブ、モバイルロボット、電動工具の需要が増加しています。さらに、複数の垂直市場をまたがる類似のモーター制御技術を含む技術的差別化を促進する主要な成長市場があり、低速高トルクおよび可変荷重のアプリケーションへの進化が進んでいます。現在、成長市場における主要なトレンドは、モータータイプの焦点がBLDCおよびPMSMにシフトしていることを示しています。

NXPのモータ制御製品は、ハードウェアとソフトウェアを統合した「ワン・ツー・パンチ」アプローチを採用しています。製品ラインアップは、48 MHzという低速をサポートするエントリーレベルおよびメインストリームのMCXポートフォリオから、最大1 GHzに達するi.MX RTクロスオーバーMCUまで幅広く対応しています。さらに、i.MXアプリケーションプロセッサは、モータ制御とモーション制御を組み合わせた用途向けに設計されており、Cortex-A + Cortex-Mコアを備えています。このモータ制御サブシステムには、ハードウェア同期の高速ADC、モータ制御PWM、オペアンプ/プログラマブルゲインアンプ（PGA）、エンコーダインターフェースが含まれています。このサブシステムにより、スケーラブルな処理が可能となり、モータ制御の開発体験が効率化されます。

競合他社と比較して、NXPは差別化された優位性を持っています。例えば、i.MX RTクロスオーバーMCUは最大1 GHzの周波数で動作し、高ダイナミックなモーター制御を可能にします。i.MX 94 MPUはモーション統合型モーター制御のためのリアルタイムコアを備えており、超効率的な処理を実現します。さらに、NXPはモーター制御専用に設計された独自のNXP IPを採用し、統一されたモーター制御サブシステムを提供しており、MCUおよびMPU製品ポートフォリオ全体にわたってスケーラブルです。

NXP のモーター制御ソリューションは、オンチップに組み込まれた PGA や位置デコーダーにより、アプリケーションコストを最適化します。i.MX RT クロスオーバー MCU は、1 ドルあたりの最大 DMIPs を提供し、接続された工場のサーボドライブ用ギガビット産業用ネットワーキングや、モーターの予知保全および異常検出のための eIQ® AI/ML 機能など、ユースケース指向の統合機能を提供します。さらに、これらのソリューションは、簡単に始められる SDK の例によるモーターの識別と調整を通じて迅速なプロトタイピングを可能にし、市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。

NXPは、階層化されたソリューション製品を提供します。概念実証において、NXPは顧客がコンセプトやアイデアを示すこと、限定されたハードウェアの可用性を検証すること、基本的なテストやファームウェアをサポートします。顧客はプロジェクトを開始し、デバイスの互換性に対する信頼を高めるためのファームウェアや回路図の例を受け取ります。

リファレンスデザインに関して、NXPは特定の顧客のユースケースに合わせた最適化されたリファレンスソリューションを提供しています。これには、すべてのチャネルを通じて入手可能なハードウェア、規制認証、そしてテストおよび維持管理されたソフトウェアのトレーニングとサポートが含まれます。顧客は開発プロジェクトのためのハードウェア/回路図の例を得ることで、実装およびテストの信頼性を高めるとともに、市場投入までの時間を短縮するための完全なソフトウェア/ファームウェアの例も得ることができます。

NXPのFRDM開発プラットフォームは、低コストで拡張可能なボードを提供し、簡単に構築でき、さまざまなチャネルやパートナーを通じてアクセス可能なスケーラブルなソリューションです。これにより、トレーニング、サポート、リファレンスソフトウェアが提供され、顧客が異なるユースケースに合わせて容易にスケール可能になります。製品は迅速な市場投入を可能にし、広範な市場サポートを特徴とし、複数のサンプルを提供します。

NXPのi.MX RT1180は、高性能Arm® Cortex®-M7コア（最大800 MHzのクロックスピード）と省エネルギーなCortex®-M33コア（最大240 MHzの周波数）を搭載した高性能クロスオーバーMCUです。i.MX RT1180は、産業用ゲートウェイ機能を備え、産業用リアルタイムプロトコル（Profinet、EtherCAT、EtherNet/IPなど）をサポートし、高度なイーサネットスイッチサブシステムとECC保護付き1.5 MBのオンチップRAMを通じて最新のギガビットTime Sensitive Networking (TSN)プロトコルを実装しています。また、DC DCおよびLDOレギュレーターを含む高度な電源管理モジュールを統合しており、外部電源供給の複雑さを軽減し、電源シーケンスを簡素化します。さらに、ストレージインターフェイスや接続インターフェイス（CAN-FD、LPUART、LPSPI、LPI2C、FlexIOなど）を含む多用途向けの大規模なサブシステムを備えています。

NXPのi.MX RT1180は、TSNスイッチとEdgeLock®セキュリティを備えたクロスオーバー・デュアルコア・リアルタイム・マイクロコントローラー（MCU）であり、Arm® Cortex®-M7およびArm® Cortex®-M33コアを使用して高性能かつリアルタイム制御機能を提供します。i.MX RT1180はTSNスイッチとEtherCAT SubDeviceコントローラーを統合しており、産業および自動車向け通信アプリケーションに最適です。

i.MX RT1180 CM7は最大800 MHzの周波数で動作し、CM33は最大240 MHzの周波数で動作し、1.5 MBのオンチップRAMを備えています。このファミリーは複数のプロトコルをサポートし、リアルタイムイーサネットとインダストリー4.0システム間の通信ブリッジを可能にします。i.MX RT1180は、NXPのEdgeLock® Secure Enclaveを統合することで、先進的な情報セキュリティも提供します。i.MX RT1180ファミリーは、SDK、IDEオプション、安全なプログラミングとプロビジョニング、および迅速な開発のための構成ツールを含むMCUXpresso開発者環境によってサポートされています。

NXPは、システムセットアップから始まり、FreeMASTERモーター制御アプリケーションチューニング（MCAT）を使用して調整可能なモーターモデリングに続く一連のプロセスでモーター制御開発者を支援できます。第三のステップでは、FreeMASTERとMCATを使用してランタイムでデバッグ可能なモーターチューニングを含みます。その後、MCUXpresso SDKにおけるモーター制御コード例を使用してソフトウェアの納品を行うことで、最終製品のローンチへと至ります。

FreeMASTERは、アプリケーション開発および情報管理のためのリアルタイムデバッグモニタリングとデータ可視化ツールです。オシロスコープ、リアルタイムストレージ、およびダッシュボード制御機能を含み、使いやすさと高い拡張性を提供します。コード変更なしでの基本的な制御と可視化、より強力な実装のためのミドルウェア、HTML/JavaScriptでのカスタムダッシュボードとスクリプトの完全サポート、他のアプリケーションとのデータ交換、およびUART、CAN、BDM/PD-BDM、SWD、またはカスタムインターフェースを含むさまざまなインターフェースオプションをサポートします。利用可能なシリアルインターフェースを持つ任意のプラットフォームで実行できます。FreeMASTER Liteは、非Windowsプラットフォームでのリモートコントロールダッシュボードをサポートします。

MCATは、FreeMASTERと連携して動作するプラグインツールで、モーター制御アプリケーションにおける制御パラメータのリアルタイムモニタリング、調整、および更新を可能にします。MCATは、対象のモーター/アプリケーションの制御パラメータを調整し、動的に調整および更新を行い、調整された静的パラメータ設定を持つヘッダーファイルを生成することができます。それはMCUや演算（16-bit/32-bit, Fix/Flt）に依存しません。

顧客の製品開発速度を加速するために、Arrow Electronicsが開発したSEED-RT118X開発キットは、インテリジェントなTSN/EtherCATモーター制御のための開発ツールキットです。統合されたi.MX RT1180クロスオーバーMCUは、先進的なEdgeLockセキュアエンクレーブを搭載し、800 MHz Cortex-M7と240 MHz Cortex-M33デュアルコアアーキテクチャに基づき、設計の柔軟性を実現しています。このシリーズはTSNスイッチを含み、リアルタイムで豊富なネットワーク統合をサポートし、時間に敏感な通信や産業用リアルタイムコミュニケーションを処理します。i.MX RT1180は複数のプロトコルをサポートし、リアルタイムイーサネットとインダストリー4.0システム間の通信を橋渡しします。SEED-RT118Xはイーサネット、EtherCAT、CAN、USB、SD機能および4つのコネクタを統合しており、追加のモーター制御ボードを個別にサポートすることができます。

SEED-RT118X Ethernetボードは、合計5つのEthernetポートを備えており、ETH0とETH4は100Mbpsポート、その他の3つはギガビットポートです。ETH0 - ETH3のこれら4つのポートは、RT118X内部の4ポートTSNスイッチに接続されています。ETH4はRT118X内部のTSN GMACに接続されています。SEED-RT118X EtherCATボードのEthernetポートETH0とETH4は、それぞれEtherCATインターフェースECAT0とECAT1として設定することが可能です。ボードの抵抗を変更することで、PHYインターフェースをRMIIまたはMIIとして選択することができます。EtherCATは、高速通信、優れた同期性能、柔軟なトポロジ構造、高いリアルタイム性能、信頼性および安定性を特長としています。

SEED-RT118Xモーター制御インターフェースボードは、同じピン定義を持つ4つのモーター制御インターフェースも備えています。特定のドライバーボードと組み合わせることで、NXP i.MX RT1189に基づいたこのアプリケーションソリューションは、24V-48V DCサーボモーター、BLDC、およびステッピングモーターの制御に使用できます。

SEED-RT118X TSNはGPTPクロック同期を実行し、RT118X GPTPクロック同期パラメータをテストし、SEED-RT118X TSNデータの送信および受信を処理することができます。タイムスタンプ付きデータを送信して、RT118Xネットワークスタックの処理遅延および転送遅延をテストすることが可能です。SEED-RT118X TSNスイッチは、RT118X TSNスイッチのVLAN、転送テーブル、およびトラフィックスケジューリング機能を構成できます。テストを通じて、SEED-RT118X GPTPクロック同期パラメータの最大誤差は±39.98 nsで、平均誤差は2.556 ns、SEED-RT118Xネットワークスタックの総処理遅延および転送遅延は約36 µsです。

効率的なモーター制御は、技術革新の方向性であるだけでなく、エネルギー節約、排出削減、そしてインテリジェントなアプリケーションを推進する重要な要素でもあります。ハードウェアとソフトウェアの協調設計を通じて、エンジニアはより効率的で信頼性の高いモーターの運転を実現し、さまざまな業界で高まる性能要求に応えることができます。同時に、制御アルゴリズム、プロセッサの性能、開発ツールの継続的な進歩により、効率的なモーター制御システムを設計するための障壁は徐々に低くなり、より多くの応用シナリオに革新的な機会をもたらしています。本記事で紹介されるNXPとArrowのモーター制御ソリューションは、世界的な技術競争および持続可能な開発において欠かすことのできない役割を果たし、より良い技術的な生活の創造を支援します。