4 FOC モーター制御技術とエンコーダの要件

図 2 に示す FOC 方式は、回転子の磁束角度に応じて生じる固定子電流ベクトルを制御して、永久磁石同期モーターのトルクを最大化する高度な技術です。FOC を使用すると、静止状態から高速動作まで、過渡応答が高速で滑らかなトルクを実現できます。回転子の磁界角を正確かつ低レイテンシで測定すると、3 つの固定子位相電流 (i_U、i_V、i_W) が回転子の磁界方向座標系に分解され、i_q はトルク生成電流、i_d は弱め界磁電流と等しくなります。

人型ロボットなどの最終製品では、絶対回転角度は通常 1 ～ 0.1 度の精度、12 ～ 15 ビットの ENOB、8kHz ～ 32kHz のサンプルレートで測定されます。回転角度はモーター位相電流と同時に検出されます。20μs 未満の低レイテンシ角度で測定すると、マイクロコントローラ (MCU) が制御アルゴリズムを実行して、次の PWM サイクルの PWM (パルス幅変調) を更新するのに十分な時間を確保できます。

ほとんどの人型ロボットと同様に、回転角度センサをモーターハウジングに組み込むことも、モーターシャフトに取り付けるために別のハウジングに組み込むこともできます。どちらの場合も、高温での動作が求められます (多くの場合、最大 125°C の環境温度)。制御マイコンがロータリーエンコーダの近くに配置される人型ロボットでは、TI の TMAG6180-Q1 異方性磁気抵抗 (AMR) センサなどの 360 度角度センサにより、コスト効率の優れた低レイテンシのインターフェイスを実現できます。

回転式モーターとは異なり、リニアモーターベースの輸送システムでは絶対線形位置の検出が必要ですが、最大トルクには FOC を適用します。多くの場合、100µs 未満のレイテンシの 12 ビット位置分解能で十分です。

さらに、産業機械における国際電気標準会議 62061または国際標準化機構 (ISO) 13849の機能安全を実現するには、安全度水準または性能レベルに基づいて決定される安全認証エンコーダや、ランダムなハードウェア障害を検出するための位置センサによる追加の診断が必要です。車載アプリケーションにおいて、ISO 26262 準拠の設計ではシステム起動時に診断を実行しますが、産業用システムでは多くの場合週 7 日 24 時間稼働することが多いため、通常の動作中に継続的に診断する必要があります。