1 アプリケーション・ブリーフ

リニアモーター搬送システムの概要

リニアモーター搬送システムは、従来のコンベヤ・ベルトによるファクトリ・オートメーション・システムに取って代わり、機能を強化する新しい産業用アプリケーションです。回転する電動モーターがベルトを一定の速度で駆動するコンベヤ・ベルトとは異なり、リニアモーター搬送システムは、複数の静止した非可動コイルによるリニアモーター・モジュールを使用して、組立または処理の対象となる製品を搬送する磁気ムーバーを駆動します。従来のコンベヤ・ベルトによるシステムと比較すると、システムとしていくつかの利点があります。

このメカニズムは自由度が高いので、コイルをベースとするリニアモーター・セグメント・モジュールは、より小型になり、今までにない配置ができるようになっています。たとえば、直線、曲線、交差、さらには 2 次元の移動も可能です。セグメント内の各リニアモーターは、個別に制御できるため、同じセグメント上の複数のムーバーを異なる速度と位置で駆動できます。たとえば、あるムーバーが停止して搭載した製品の処理または分析を行っている間に、別の製品を搭載した他のムーバーは、最大速度で次の処理に向かって移動することができます。この独立制御により、従来のコンベヤ・ベルト駆動システムに比べてスループットが大幅に向上します。

図 1-1 は、固定された直線および曲線セグメントとムーバーを使用した簡単なリニアモーター搬送システムを示しています。各セグメントは、通常、三相リニアモーターを実現するコイルを備えたリニアモーター出力段、セグメントごとに各ムーバーの位置と速度を検出するリニアモーター位置センサ、ムーバーの位置および動作をリアルタイムで制御するためのリニアモーター・セグメント・コントローラで構成されています。図 1-2 に、ムーバーの概略図を示します。

要件

リニアモーター搬送システムにより、最大 10m/s の速度、最小 0 .01mm の直線位置決め精度と繰り返し精度で、複数の磁気ムーバーを1 次元または 2 次元で移動させます。 磁気センサに印加される磁界の大きさは、ムーバーの磁石と固定マルチポジション・センサー・プリント基板 (PCB) の間の距離、およびムーバーの検出磁石によって異なります。通常、磁界の範囲は 50mT ~ 300mT です。スペースの要件により、高集積の 3D ホール・センサ・システム・オン・チップ (SoC) を搭載した小型パッケージが有利です。使用するセンサの動作周囲温度が 85℃ を超えていれば (たとえば125℃)、高い電力密度を実現しながら、これらの過酷な条件下でも正確なセンサ・データを取得できます。

1 つのセグメント内で複数のムーバーの位置を同時に検出する必要があるため、同時サンプリングと低レイテンシの位置測定が重要です。低レイテンシのデジタル・インターフェイスを備えた 3D ホール・エフェクト・センサは、アナログ出力の SoC よりもノイズに対する耐性が高いという利点があります。デジタル・インターフェイスを備えた SoC の他の利点として、ダイの温度、ホール素子、電源電圧の診断などの SoC の診断および監視機能を統合して、システムの信頼性向上を実現できるということがあります。

TMAG5170 3D ホール・エフェクト・センサ

TMAG5170 は、高精度のリニア・ホール・エフェクト・センサで、 3 つの軸に対して感知できます。互いに直交するホール・エフェクト素子を使って磁界ベクトルの各成分を検出できるので、さまざまなカスタマイズが可能です。このデバイスは各チャネルを順にサンプリングし、内蔵 12 ビット ADC を使って、最大 20ksps のサンプル・レート で結果を変換します。

図 1-7 TMAG5170 のブロック図

TMAG5170 は、自己診断機能、プログラム可能なアラート・スレッショルド、確定的なサンプリングのためのカスタマイズ可能なトリガ機能など、多くの機能を備えています。

TMAG5170 の自己診断機能は、Vcc の状態、パワーオン・リセット、出力ピンの状態、デバイス・メモリ、温度、その他のさまざまな内部チェックを動作中に実施可能です。この利点により、マイクロコントローラは、システム内の各センサが正常に動作していることを簡単に確認でき、信頼性や安全に関するリスクにつながるおそれのあるシステム・レベルの問題を検出できます。

TMAG5170 から磁界変換を開始するための 3 つのトリガ・モードがあります。このデバイスの ALERT ピンは、ホスト・コントローラの適切な I/O ピンによって駆動される入力ピンとして機能することもできます。このハードウェアのトリガは、便利で簡単です。さらに、個別の SPI コマンドまたはデバイスの CS ピンによって変換をトリガすることもできます。一定のトリガー・タイミングを使う場合には、デバイスの変換レートに基づいて、得られた測定値をリニア・ムーバーの実際の位置に関連付けることができます。

図 1-8 に、8kHz の位置サンプル・レートで、ALERT ピンを使ってホスト MCU から新しい変換をトリガするタイミング例を示します。この例では、TMAG5170 は、Z と X の 2 つの軸に対する疑似同時サンプリングモードに設定されています。サンプルからデータ送信までの実効レイテンシは、約 60us です。

TMAG5170 による 32 ビット・データの SPI 転送には、10MHz の SPI クロックで 3.2us を要するとともに、対応するセットアップ時間とホールド時間が必要なので、複数の TMAG5170 SDO データ・ラインを並列にホスト MCU に接続する場合、全体のレイテンシは約 64us になります。多重化された共通の SDO データ・ラインを複数の TMAG5170 が使用する場合、全体のレイテンシは、TMAG5170 センサの逐次読み出し回数に依存します。全体のレイテンシは、60us + N x 4us ~ 5us です。ここで N は、チップ・セレクト信号のセットアップ時間とホールド時間のオーバーヘッドを含む SPI 転送の回数です。

SPI コマンド・トリガまたは CS トリガを使用する利点の 1 つは、コントローラへ追加のフィードバックを行うために ALERT ピンを利用できることです。プログラム可能なスレッショルド限界値を使用すれば、システム内の各 TMAG5170 は、個々のリニア・ムーバーの相対的な距離に関するフィードバックを提供できます。有用な入力を受け取るセンサのみを識別することにより、システムではデバイスのアレイ上でより効率的な SPI 読み出しを実装できます。

詳細については、以下の代替デバイスとサポート資料をご検討ください。