BLDCモータと一体型モータドライバはロボットとドローンの効率化の鍵

1960年代に開発されて以来、ブラシレス直流（BLDC）モータは、それ以前のブラシ付き直流（DC）モータよりも高効率で長寿命であることが実証されています。高出力の産業用アプリケーションでは同期交流（AC）モータが使用されていましたが、現在では他の多くのアプリケーションでBLDCモータが使用されています。

今日、BLDCモータは消費者の日常生活の一部となっています。ドリルやリーフブロワのようなバッテリ駆動の工具、洗濯機やプリンタのような家庭用電化製品、そして電動自転車や電気自動車にも搭載されています。産業環境では、BLDCモータはモーション制御やマテリアルハンドリングアプリケーションに使用されています。BLDCモータは、無人地上走行車（UGV）、ドローンや同様の無人航空機（UAV）、手術用ロボットやパワーアシストスーツにも電力を供給します。

ブラシ付きDCモータが金属やカーボンの整流子ブラシを使用してモータ巻線に電力を伝導するのに対し、BLDCモータは非接触型です。摩擦や摩耗がないため、効率が高く、メンテナンスの必要性が減り、モータの寿命が延びます。また、より高速、高トルク、高出力重量比を誇り、性能も優れています。高度な制御システムにより、BLDCモータは速度やトルクをほぼ瞬時に変化させることができ、精密な位置決めや安全性の確保も可能です。

これらのモータとその制御システムは、その高度なBLDCモータドライバが実現する性能により、小型化、スピード、精度、安全性、最小限のメンテナンスを必要とする最新のロボットやドローンアプリケーションを設計するエンジニアにとって、魅力的な選択肢となっています。

BLDCモータの基礎

BLDCモータの3つの構成要素は、一見すると単純に見えます。固定されたステータには、永久磁石を含むローターを取り囲むように、あるいはローターに取り囲まれるように、あるいはローターと平行に、2～8組の銅巻線が円周上に配置されています（図1）。モータコントローラはステータに接続し、位置データにアクセスし、巻線に電力を供給します。

図1：3相BLDCモータのコントローラは、ステータ巻線（U、V、W）の通電と極性を切り替え、磁界の向きを変えます。永久磁石を含むローター（青）はステータの磁界に合わせて回転します。（画像提供：Qorvo）

ステータの巻線に通電すると磁界が発生し、これにローターの永久磁石が反応します。対向する磁極間の引力により、ローターが回転します。ローターがステータの磁界に整列する前に、コントローラがどの巻線に通電するかを切り替え、磁界の向きを変えてローターを動かし続けます。

実際には、コントローラがステータに送る電流パルスはオンからオフに変化し、電流が波形で表せるほどの頻度で極性が切り替わります。図1に示すスイッチング方式は台形波で表されます。永久磁石同期モータ（PMSM）を含む他のモータは、正弦波波形を持ちます。PMSMは、構造はBLDCモータに似ていますが、ローターがロックされる磁界を回転させるために変化する電流を使用します。これらの波の振幅と位相を調整することで、モータの速度と利用可能なトルクが変化します。

コントローラはまた、ホール効果センサや光エンコーダのような位置センサから一定のフィードバックを受けます。センサレスのBLDCモータでは、逆起電力（BEMF）、つまり通電巻線から発生する磁界によって非通電巻線に発生する電流の測定が、ローターの位置を決定するために使用されます。

モータドライバの開発

BLDCモータの監視、給電、制御に必要な複雑なアーキテクチャを考慮すると、ソリッドステート電子部品を使用する旧式のBLDCモータコントローラが、産業環境において、独自のキャビネットスペースとモータへ配線されている太い電源ケーブルとデータケーブルを必要としたのは当然です。高度化する集積回路（IC）により、モータコントローラはプリント回路基板（PCB）に収まるまでスリム化されました。小型化が進む一方で、今日のモータコントローラの機能は進化し続けています。

その1例がQorvoの3相BLDCモータドライバACT72350（図2）で、構成可能アナログフロントエンド（AFE）、さまざまな電源構成に対応する電源管理モジュール、および特定用途向けモータドライバ（ASPD）を9mm x 9mmの単一のクワッドフラットノーリード（QFN）面実装デバイスに統合しています。

図2：ACT72350統合型3相BLDCモータドライバは、コンパクトな面実装パッケージにAFE回路と構成可能な電源管理機能を統合しています。（画像提供：Qorvo）

ACT72350の構成可能AFEは、3つの差動プログラム可能ゲインアンプ、4つのシングルエンドプログラム可能ゲインアンプ、2つの10ビットデジタル/アナログコンバータ、10個のコンパレータを備えており、これによりセンサと制御回路間のブリッジとして機能します。また、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介して、外部のマイクロコントローラユニット（MCU）からパルス幅変調（PWM）制御信号を受信します。

構成可能な電源管理モジュールにより、ACT72350は25V～160VのDC入力電圧を受け入れることができ、20S規格までのバッテリ電源（満充電時、公称72Vまたは84V）にも対応します。その高電圧スイッチング電源は、12Vまたは15Vの安定した出力電圧を提供します。また、ACT72350のモジュールとMCUに安定した5V、200mAの電力を供給します。

ACT72350のASPDは、ハーフブリッジ、Hブリッジ、または3相アーキテクチャでモータを駆動できます（図3）。160Vの3つのハイサイドゲートドライバと20Vの3つのローサイドゲートドライバは、それぞれ2A（ソース）/2A（シンク）のゲート駆動能力を持ち、より高速なモータスピードのための高速スイッチングを可能にします。

図3：ACT72350のASPDモジュールのブロック図では、ハイサイドとローサイドのゲートドライバを示しています。nBRAKEピンは外部コントローラによって起動され、安全のためにモータの回転を停止させます。（画像提供：Qorvo）

ACT72350は、BLDCモータ制御に必要な電子部品点数を削減します。このユニットは、アナログ信号入力を管理し、電源入力を受け入れて標準化し、モータを駆動するモジュールを1つのコンパクトな面実装パッケージに統合しています。同時に、ACT72350は、任意のMCUがSPI経由で制御信号を提供できるようにすることで、設計の柔軟性を維持しています。

ドローンの展開

BLDCモータの制御電子部品を1つの統合型パッケージとMCUに簡素化することは、ドローン航空機やその他のUAVのように、スペースと重量が重視されるアプリケーションにとって重要です。このようなシステムの設計者は、限られたスペースを最大限に活用し、重量を最小限に抑えるためにBLDCモータを選択しており、モータドライバはそれに貢献する必要があります。BLDCモータの高トルク/重量比は、ドローンのローターやプロペラに供給するパワーに対してBLDCモータが比較的軽量であることを意味します。85%以上のエネルギー効率は、1回のバッテリ充電でより大きなペイロードを運んだり、より長く飛行できることを意味します。

ACT72350のようなスペース効率の高いモータドライバは、高品質のモータ性能を提供しながら、複数の機能を小さなパッケージに統合しています。ドローンやUAVの設計者は、制御キャビネットや太くて重いケーブルを必要とする代わりに、数個のACT72350、バッテリパック、選択したMCUを採用し、すべてを車両に配置することができます。ACT72350の高電圧ゲートドライバは高速スイッチングをサポートし、滑らかな動作を実現するため、飛行制御基板上のMCUはより高度な飛行指令に集中できます。

UGVにとってスペースと重量の効率はそれほど重要ではないかもしれませんが、設計者は、推進アプリケーションにおける高トルク能力と、ステアリングアプリケーションにおける正確なモーション実現能力から、依然としてBLDCモータを選択しています。BLDCモータは、特に屋外環境において重要な考慮事項である低メンテナンス性という点でも、これらのアプリケーションで高く評価されています。

ロボティクスの再考

低メンテナンスのBLDCモータは、高サイクルのアプリケーションで長期的な信頼性を保証するロボティクスでも有用です。BLDCモータは、産業用ロボットアーム、外骨格、材料グリッパやマニピュレータ、義肢装具、人型コンパニオンロボットなどの関節を動かします。

これらすべてのアプリケーションにおいて、BLDCモータの軽量でコンパクトな設計は、その効率的な動作、高精度、および可動範囲の広さに貢献しています。ドローンに有利な高トルク/重量比は、BLDCモータが重量や体積を増やすことなくロボットに電力を供給することも可能にします。それぞれ最大2Aのソースおよびシンク駆動能力を提供するAFEを内蔵したACT72350は、複数のローター位置センサからの信号を受信したり、BEMFを測定したりできるように設定されており、ロボットアプリケーションでの正確な速度制御を保証します。

このようなアプリケーションでは、機器が人間の近くや高価な商品や機器の近くで作動することが多いため、安全性も最優先されます。AFEにより、電子機器や近くにいる人間に脅威を与える可能性のある過温度、過電圧、過電流状態にシステムが瞬時に反応することが可能となります。ACT72350は、ASPDのnBRAKEピンから緊急ブレーキを提供することもできます。MCUまたは冗長安全MCUからnBRAKEピンへの50µsecの信号により、すべてのハイサイドゲートドライバが無効になり、ローサイドゲートドライバがブレーキを実行し、PWM入力は無視されます。

まとめ

設計者は、医療、消費者製品、自動車、レクリエーション、産業などの分野で、多くのアプリケーションにBLDCモータを選択しています。BLDCモータの効率、トルク能力、高速性、精度、低メンテナンス要件を活用するために、設計者はアナログセンサ入力、MCUからのデジタルコマンド、さまざまな電圧と電流を持つ電源、モータ巻線への電力供給に必要な高速スイッチング電流パルスの複雑な組み合わせを処理できるモータドライバも選択しなければなりません。QorvoのACT72350のようなモータコントローラは、コンパクトなパッケージでこれらの機能を兼ね備えており、高度なアプリケーションにおけるBLDCモータの成功に貢献しています。