精密制御サーボモーターの最適なソリューション

サーボモーターは動きの正確な制御を提供します

サーボモーターは、サーボ機構を使用するモーターの総称です。いわゆるサーボシステムとは、指令に従って動作する制御装置を指します。これはモーターのサーボ制御に応用されます。モーターや制御対象機械にセンサーが取り付けられ、検出結果がサーボアンプに返され指令値と比較されます。サーボモーターは入力パルス信号で制御されるステッピングモーターと異なり、フィードバック信号によって制御されます。

サーボモーターの動作特性には位置の制御と速度の制御が含まれます。その主な特徴は、速度を正確に制御できること、速度制御範囲が広いこと（一定速度で安定し滑らかに運転するだけでなく）、要求に応じていつでも速度を変更できること、極低速でも安定して回転できること、前後方向の回転や急加速・急減速が可能であることです。サーボモーターは静的な状態から動的な状態へ、または動的な状態から静的な状態へと移行する際に非常に短い時間しか必要とせず、外部から力が加わった場合でも位置を保持できる能力を持ち、定格容量の範囲内で瞬時に大きなトルクを発生させ、大きな出力と高い効率を実現します。

産業用イーサネットをサポートするサーボドライバーソリューション

サーボモーターをより正確かつ高速に制御するために、Arrow ElectronicsはADI製品を基盤としたARROW-ADI ADPサーボモーター制御システム──ADSP-CM4xx混合信号制御プロセッサを開発しました。このプロセッサは、ARM Cortex M4プロセッサコアを採用し、高精度ADC、デジタルアクセラレーターおよびフィルター、SRAMとフラッシュメモリ、そして豊富な周辺機器を統合しています。ADSP-CM4xxプロセッサは、リアルタイム制御やアナログ変換を必要とする広範な組み込みアプリケーションに適しています。

ARROW-ADI ADP SERVOは、240 MHz ARM Cortex M4コア統合浮動小数点演算ユニットを採用しており、高度なプログラミングモデルや複雑なアルゴリズムをサポートできます。内蔵の384KB SRAMおよび2MBフラッシュメモリにより、大規模なプログラムにも容易に対応できます。また、デュアルチャネル16ビットSAR ADCを備えており、欠落コードのない13以上のENOB（有効ビット数）を提供し、変換速度は380nsに達します。このため、高精度な閉ループ制御アプリケーションに適しています。高調波解析エンジン（HAE）を搭載しており、電力網接続に対応するほか、高度なPWMやタイマー機能をサポートしており、トルク変動とモータ性能を効果的に改善できます。また、内蔵のSINCフィルターにより、AD74xxアイソレーテッドコンバーターにシームレスに接続でき、2系統のCANインターフェイス、3系統のUARTインターフェイス、2系統のSPIインターフェイス、8つの32ビットタイマー、2系統の2ワイヤーインターフェイス、4つの直交エンコーダーインターフェイスをサポートしています。ARROW-ADI ADP SERVOは、24x24の176ピンLQFPパッケージで、91個のGPIOピンと16個のADC入力ピンを備えており、モータ制御アプリケーション向けに最適化されています。

高性能なアプリケーションを実現する多様なコアチップ

ARROW-ADI ADP SERVOは、パワーボードとコントロールボードを含んでいます。パワーボードは主に高電圧および強電流信号の入出力処理に使用されます。一方、コントロールボードは、ADIのDSP（ADSP-CM408）、ADIの産業用イーサネットインターフェースチップ（FIDO5200）、およびAlteraのFPGA（10CL025）を含んでおり、主に検出ループ信号の読み取りや制御信号の出力を担当します。また、シリアルポート通信、表示、キー操作といった補助機能も備えています。

CM40X DSP機能モジュールにはADC（アナログ・デジタル変換器）とアナログ回路が含まれており、CM40xシリーズプロセッサの最大の利点の一つは、オンチップSAR ADC（逐次比較型ADC）の精度にあります。CM403を例にとると、CM403には合計26のアナログ入力がありますが、そのうち外部アナログ信号を受信するために使用できるのは24本のみです。残りの2チャンネルはそれぞれ内部DAC（デジタル・アナログ変換器）の出力に接続されており、これはADCが正常に動作しているかを自己診断する必要がある一部のアプリケーションで使用されます。CM403のADCの最大サンプリングレートは2.6Mspsに達し、2.6Mサンプリングレートで0～11のアナログ入力をポーリングする際のSINADは81dBに到達します。

ADIのfido5000マルチプロトコル（REM）スイッチングチップには、fido5100とfido5200の2つのモデルがあります。この2つのモデルの唯一の違いは、それぞれが対応するイーサネットプロトコルです。fido5100は主要な産業用イーサネットプロトコルのうちEtherCATを除く複数のプロトコルをサポートしています。一方、fido5200はEtherCATを含む主要な産業用イーサネットプロトコルをサポートしています。

FPGAは、Field Programmable Gate Array（フィールドプログラマブルゲートアレイ）の略です。これは、半導体集積回路であり、機器内の多くの電気的機能を変更することができます。FPGAは設計エンジニアによって、PCBアセンブリ中や、機器が顧客に出荷された後の「現場」で変更することが可能です。ARROW-ADI ADP SERVOは、Altera社の10CL025YE144I8チップを採用しており、このチップは24,624個のLE（ロジック要素）と76個の一般IOを有し、さまざまな複雑な機能を実現することができます。

DEMOボードは製品開発を加速します

Arrow Electronicsは、ADI製品を基盤として、ADSP-CM408とFIDO5200を用いた産業用イーサネットソリューションを備えたサーボドライバであるADIサーボモーター制御ソリューションを開発しました。ADIはデータコンバータ、アンプ、組み込みプロセッサ、iCoupler®デジタルアイソレータ、および電力管理デバイスを含む包括的な製品ポートフォリオを提供しています。このDEMOボードには主に、電源モジュール、制御モジュール、ディスプレイモジュールが含まれています。

ADIのサーボモータ制御ソリューションは、200～240VACの入力電圧、回転速度<= 3000rpm、出力電流<8Aをサポートし、高精度かつ高速な動的応答を実現します。そのコアチップには、ADIのCM408F、AD7403、ADuM130E、ADuM141E、ADM809、ADM3483、LT1529IQ-3.3、ADP1706ardz-2.5、ADP1706ardz-1.2、FIDO5200BBCZおよびAltera 10CL025が採用されています。また、STMicroelectronics（ST）のViper53-E、STTH108A、L78L05、L78M24CV、STPS1150A、STTH1R02U、InfineonのIKCM30F60GA、IKW30N60DTP、GBU8M、onsemiのFOD3184、FOD817、74ACT244SC、SiT8208、Nexperiaの74HC165D、74HC595D、74VHC14D、74LVC1G08GV、TEのRZ03-1A3、USB_1734035、D_sub-26-5178238、RJ45-6116353なども含まれています。

結論

産業用アプリケーションがますます高精度なサーボモーターを使用するようになっている現代の急速な発展を遂げるIndustry 4.0の時代において、システム接続機能を完成させるために産業用イーサネットを組み込む必要があり、これが産業用アプリケーションの未来の発展を変えつつあります。増加する市場需要を鑑みて、Arrow ElectronicsはADIに基づくサーボモーター制御ソリューションを発表しました。このソリューションはIndustry 4.0のアプリケーションの急速な発展に貢献し、関連製品開発者がこのソリューションを深く理解し、関連アプリケーション市場への更なる投資に注力する価値があります。