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STMicroelectronics社のアプリケーション・エンジニアリング・マネージャーであるEnrico Poli氏、およびSTMicroelectronics社のアプリケーション・エンジニアであるProspero Lombardi氏
近年、高出力モータドライブソリューションに対する需要が高まっています。特に、低電圧サーボドライブアプリケーションでは、数百ワットから数千ワットまで、モータへの大きな電力伝達を管理できる信頼性の高いシステムが求められています。この応用分野では、その柔軟性と、位置決めや機械的負荷にかかるトルクの調整における強力な性能により、3相ブラシレスモータが主流となっています。[1]
これらのアプリケーションは一般的に24Vや48Vなどの標準的な産業用電圧を使用するため、そのパワーステージは数十アンペアの電流を管理する必要があり、さまざまな観点から重要な設計につながります。さらに、この設計の複雑さは、ケーブル配線、放射エミッション、コストの削減という利点を持つ、非常にコンパクトなモータドライバを同じ制御モータの上に搭載することを推進する最新の市場動向によっても悪化しています。この点で、パワーステージを構成する最終トランジスタのサイジングとサーボモータへの接続は非常に重要です。これは、大電流レベルが電力損失と温度を増加させ、適切に対処しなければならない基板トレースに過大なストレスを与える可能性があるためです。[2]
3相ブラシレスモータを最大限に活用するには、モータ巻線に流れる電流によって生成される磁界を動的に更新して電気機械の効率を最大化するFOC（Field Oriented Control）のような高度な制御技術が必要です。
この例として、STMicroelectronicsのSTSPIN32G4が挙げられます。STSPIN32G4は、高性能STM32マイクロコントローラとトリプルハーフブリッジゲートドライバ、および柔軟な電源管理回路を組み合わせたものです。マイクロコントローラが最先端のモータ制御アルゴリズムを管理する一方で、ドライバはパワーステージを完全に制御します。新しいEVLSERVO1リファレンスデザイン（図1）は、STSPIN32G4を使用してサーボドライブアプリケーションをターゲットにしています。
図1：EVLSERVO1参照設計。（出典：STMircroelectronics）
EVLSERVO1は、図1に示すように、2枚のプリント回路基板（PCB）を重ねたモジュール設計に基づいています。設計では、3相ブラシレスDCモータを対象としており、パッシブ冷却で最大2kW、ファンを使用すれば3kWの連続運転が可能です。このシステムは、公称バス電圧48Vまでの産業環境での動作を想定しています。しかし、動作電圧は75Vまで拡張できるよう、余裕を持って設計されています。モータへの最大出力電流は、ファンの有無にかかわらず、それぞれ63Armsまたは42Armsです。
電源ボード
図2は、主に12個のSTL160N10F8 MOSFETをトリプルハーフブリッジ構成に配置した電源ボードを示しています。 ローサイドセクションとハイサイドセクションの各スイッチは、2つの並列トランジスタで構成されています。回生ブレーキ時のバス上の過電圧から保護します。 これは、サーボドライバが動作速度を下げるよう要求されたときに、制御アルゴリズムがモータに適用される変調を調整して電力伝達を逆転させるため、重要な機能です。
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図2：EVLSERVO1のブロック図と接続。(出典：STMircroelectronics）
コントロールボード
STSPIN32G4 は、図 2 に示すように、制御ボードのコアです。このデバイスは、Cortex®-M4コアを搭載し、最大170MHzのクロック周波数で動作する内蔵高性能マイクロコントローラSTM32G431上で制御アルゴリズムを実行します。
このシステムは、FOC制御が必要とするモータ電流の双方向センサを提供します。このセンサは、オペアンプをベースとしたゲインステージで増幅された、各モータ相に1つずつ配置された3つのシャント抵抗の降下電圧によって実行されます。増幅された信号は、STSPIN32G4内の2つの12ビットADCによってサンプリングされ、変換されます。[3]
パフォーマンス
EVLSERVO1の堅牢性と性能を検証するために、図3に示すセットアップを行いました。
図3：大電力負荷を駆動するEVLSERVO1。(出典：STMircroelectronics）
システムの主入力は、最大3.5kWの電力を供給できる1台のDC電源に接続されています。一方、3つの出力は、3000rpmで回転したときに4.47kW（6HP）の機械的出力を供給できる3相BLDCモータに接続されました。モータからの機械的動力はヒステリシスブレーキを介して放散され、モータはフレキシブルジョイントで結合されました。基板への配線を考慮し、全体の抵抗値がおよそ0.9Ωのブレーキ抵抗として3つの電力抵抗が並列に接続されました。
STSPIN32G4は、FOC制御アルゴリズムを実装したファームウェアで構成されました。EVLSERVO1は、その最大動作限界まで追い込まれ、図3の電源ディスプレイで見られるように、3kWに近い平均電力を管理しました。
システムは、約25℃の環境でおよそ15分間動作した後、定常状態に達しました。基板上で最も高温になったのはローサイドMOSFETで、図4の左側に見えるように113℃に達しました。このテストの後、ファンをオンにし、出力電流を63Armsまで増加させました。この状態で、最も高温のMOSFETの最高温度は、図4の右側に見えるように105℃まで低下しました。
図4：EVLSERVO1パワーボードの赤外線画像。(出典：STMircroelectronics)
図 5は、制動抵抗器に対する介入の例を示しています。この場合、摩擦損失を除き、大きな電力の散逸を避けるためにメカニカルブレーキは無効化されました。対照的に、セットアップの機械的慣性を利用して、モータを時計回りに回転させながらエネルギーを蓄積しました。次に、回生制動を促すために、シャフトの回転を突然反時計回りに戻すようドライブに指令を出しました。図に見られるように、モータが発電機として動作し、システムのバルクコンデンサに一定の電流が注入されたため、バス電圧が上昇する初期段階がありました。
ブレーキプロセス中、抵抗器はパルス・モードで複数回作動し、バス電圧は62Vから65Vの間の安全な範囲にクランプされました。 この制動試験では、パルス電流は60Aに達し、ピーク電力は約3.4kW、平均電力は148Wでした。制動段階において、EVLSERVO1は機器内のバルクコンデンサを充電するために約4.7Wの平均電力を供給しました。その後、モータは方向を戻し、目標速度に到達するために400Wまで徐々に増加する電源からの電力で反時計回りに加速を開始しました。
図5：制動抵抗の介在。(出典：STMircroelectronics）
低電圧サーボ駆動アプリケーションでは、信頼性が高く効果的なモータ制御システムが要求されます。EVLSERVO1は、小型化されたフォームファクターにより、サーボドライブアプリケーションに望ましいモータの近くに電子回路を配置することができます。回生ブレーキによるバス過電圧を管理する専用回路など、複数の保護機能が用意されており、故障条件下でも堅牢な設計が可能です。
[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/6713062 [2]https://www.st.com/resource/en/technical_article/ta0361-thermally-aware-highpower-inverter-board-for-batterypowered-applications--stmicroelectronics.pdf [3]https://www.st.com/resource/en/application_note/an5397-current-sensing-in-motion-control-applications-stmicroelectronics.pdf
Enrico Poli氏はミラノ工科大学で電子工学の修士号を取得。2006年からDora SpAでアプリケーション・エンジニアとして勤務し、その後STMicroelectronicsに入社。 ステッパー、ブラシ付き、ブラシレス電動モータ制御の専門知識を生かし、革新的な製品とソリューションの開発に貢献。現在、特定用途向け製品部門のアプリケーション・マネージャーとして、自動車および産業用モータ・コントロール・ソリューションを統括。
Prospero Lombardi氏はイタリアのミラノ工科大学で2013年に電子工学の修士号を、2017年に情報工学の博士号を取得。現在、STMicroelectronicsで低電圧モータ制御分野を専門とするアプリケーション・エンジニア。主な仕事は、新製品の検証とデモツールの開発。
