BLDCモーター制御を次のレベルへ！FOCドライバー TMC6460 - 半導体事業

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製品ピックアップ Analog Devices

BLDCモーターを使用するアプリケーションにおいて、高速応答・高精度なモーター制御と、駆動回路の小型化を両立したいと思ったことはありませんか？

この記事では、最大200kHzの高速制御ループおよびPWMエンジンに対応し、高速応答が求められる次世代ロボットやヒューマノイドロボットなどに適した、ADI Trinamic™の36V対応FOCドライバー「TMC6460」を紹介します。

BLDC向け小型FOCドライバー TMC6460

BLDCモーター向けのADI Trinamic™の新たな製品が「TMC6460」です。高速応答・高精度なモーター制御に加え、駆動回路の小型化が求められるアプリケーションに最適な製品です。

モーター制御の主要機能を1チップに集積したSoC

TMC6460は、FOCコントローラー、電力段、電流検出機能、フィードバック・エンジンを1チップに集積したサーボドライバーICです。トルク・速度・位置制御に対応し、外付け部品や周辺回路を削減。モーター駆動システムの小型化と開発負荷の軽減に貢献します。

FOCとモーション・コントロールをハードウェアで実行し、最大200kHzの高速制御ループとPWMエンジンに対応。低インダクタンスモーターやコアレスモーターなど、高速な電流制御を必要とする用途にも適しています。ヒューマノイドロボットをはじめ、高精度な位置決め、高速な加減速、小型化が求められるロボット・産業機器に適したソリューションです。

ADI Trinamic™ TMC6460のブロック図とピン配置 — TMC6460の回路ブロック図とピン配置

■代表的なスペック

・超小型サーボ・ドライブSoC

・36V BLDCおよびDCモーターを駆動

・最大3ARMSの連続電流対応

・最大5AFSの電流検出能力

・広い動作温度範囲：-40℃～125℃

・高性能モーション・コントロール

・ハードウェアベースのベクトル制御 (FOC)

・最大200kHzの制御ループおよびPWMエンジン

・組込み型8点ランプ・コントローラー

・柔軟なフィードバック・エンジン
（ABN、SinCos、デジタル／アナログ・ホール、SPIエンコーダー）

・集積された電力段と信号回路

・36Vハーフ・ブリッジ × 3（55mΩ/FET）

・統合化スケーラブル、無損失電流検出

・短絡保護および過熱保護

TMC6460の特長

ハードウェア・ベースのベクトル制御（FOC）

FOC駆動は、モーターの電流や回転状態をリアルタイムにフィードバックしながら制御するため、複雑な演算処理が必要です。従来のソフトウェアによるFOC制御では、制御アルゴリズムの開発や調整に多くの工数がかかり、ロボットアームのような複数軸を制御するアプリケーションでは、DSP (Digital Signal Processor) などの高性能プロセッサーが必要になる場合もありました。

TMC6460は、FOC制御機能をハードウェアとして内蔵しており、ホストMCUの演算負荷を大幅に軽減できます。さらに、トルク・速度・位置制御に対応しているため、複雑なモーター制御アルゴリズムをホストMCU側に実装する負担を軽減し、SPI通信によるレジスター設定を中心としたシンプルなソフトウェア構成で高度なモーター制御を実現できます。

また、FOCコントローラーだけでなく、電流検出回路、ゲートドライバー、電力段、フィードバック・エンジンまでをワンチップに集積しています。これにより、外付け部品や周辺回路を削減でき、基板面積の縮小とモーター駆動システム全体の小型化に貢献します。

従来のソフトウェア主体のFOC制御では、モーターの仕様や制御条件が変更されるたびに、ソフトウェアの修正や再検証が必要になる場合がありました。TMC6460では、モーター制御の主要な処理をハードウェアに集約することで、ホストMCU側のソフトウェア開発負担を軽減し、製品開発の効率化を実現します。

組込み型8点ランプ・コントローラー

TMC6460は、モーションプロファイルを生成する8点ランプ・コントローラーを内蔵しており、速度や位置に応じたモーターの動作を簡単に設定できます。加速・減速を滑らかに制御することで、急激な速度変化による機械的な衝撃や振動を抑制できます。また、モーション制御をハードウェア側で実行するため、ホストMCUのソフトウェア処理負荷や開発工数を削減できます。

最大200kHzの制御ループおよびPWMエンジン

最大200kHzの高速制御ループとPWMエンジンに対応し、モーター電流の高速な制御・更新を実現します。これにより、負荷変動や急な動作指令に対する応答時間を短縮し、トルク追従速度や位置安定性を向上させます。また、電流制御の高速化による過電流リスクの低減や、電気的時定数の小さい低インダクタンス（低L）モーターへの対応にも貢献します。

モーター制御に必要な主要機能を集積

FOC制御に必要な制御回路、電流検出回路、ゲートドライバーおよびパワー段など、モーター駆動に必要な主要機能をワンチップに集積しています。これにより、外付け部品や周辺回路を削減でき、基板面積の縮小、設計工数の削減、モーター制御システム全体の小型化を実現します。

TMC6460にすることで・・・サイズは1/6に削減、部品点数は1/9に削減できる！

TMC6460と従来のTrinamic™製品の機能比較

TMC6460と従来のIC単体製品 (TMC4671、TMC9660) との機能比較をしました。

従来製品のTMC4671とTMC6100を組み合わせることで、FOC制御に加え、電流検出、パワー段、モーションコントローラーなどの機能を実現できます。一方、TMC6460では、これらの機能を1つのパッケージに集積することで、さらなる部品点数の削減と設計の簡素化を実現しています。

製品特長	TMC6460	TMC9660	TMC4671
サーボ / FOC制御	位置・速度・トルク制御モーション・コントローラーハードウェアFOC、コーディング不要	位置・速度・トルク制御モーション・コントローラーハードウェアFOC、コーディング不要	位置・速度・トルク制御ハードウェアFOC、コーディング不要
電力段	2.4～36V / 3A 111mΩ（ハイサイド＋ローサイド）	7.7～70V ゲート・ドライバー 0.05～2A、外付けFET用4ハーフブリッジ	-
PMU	-	70V、600mA 降圧コンバーター 150mA LDO×2：2.5V / 3.3V / 5V	なし
電流検出	電流検出機能内蔵 12ビットADC×3	PGA×4 13ビットADC×4	16ビットADC×3
制御ループ周波数	18～200kHz	2～100kHz	25～100kHz
モーター・フィードバック方式	ABNエンコーダー / デジタル・ホール / アナログ・ホール / Sin-Cosエンコーダー / SPI / SSI Absolute	ABNエンコーダー / デジタル・ホール / SPI	ABNエンコーダー / デジタル・ホール / アナログ・ホール / Sin-Cosエンコーダー

TMC9660は12V・24Vアプリケーション向けに設計を小型化した製品です。TMC6460は、こうした従来製品の特長を踏まえ、より高い集積度でモーター制御システムの小型化を目指した製品です。

アプリケーション例

TMC6460は、高精度な位置決めと高速な加速度が求められるアプリケーションにおいて、理想的な製品です。

ロボットおよびFAシステム
CCTV
SMT実装機
写真用ジンバル
輸液ポンプおよびシリンジ・ポンプ
BLDC / PMSMおよびDCサーボモーター

TMC6460評価ボード

TMC6460の動作や各種モーター制御機能を実際に評価できる評価ボードを用意しています。実機を使用してFOC制御やモーターの応答性、各種パラメーターの設定などを確認できるため、製品の特長や性能をすぐに体感できます。

評価ボードを活用することで、TMC6460の導入検討やモーター制御システムの開発をスムーズに進めることができます。

今回は、BLDCモーターの高速・高精度なFOC制御と、モーター駆動回路の小型化を実現するADI Trinamic™のモータードライバー「TMC6460」を紹介しました。

TMC6460は、最大200kHzの制御ループおよびPWMエンジンに対応し、高速な電流制御によって、応答性やトルク追従性、位置安定性の向上に貢献します。また、FOC制御回路から電流検出回路、ゲートドライバー、パワー段まで、モーター駆動に必要な主要機能をワンチップに集積することで、外付け部品の削減とシステムの小型化を実現します。ヒューマノイドロボットをはじめ、高速応答・高精度なモーター制御と省スペース化が求められる次世代ロボットや産業機器に適したソリューションです。

ご自身のアプリケーションに活用できそうだと感じた方は、まずは評価から始めてみませんか？

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