自動化が進むにつれて、モーションコントロールの重要性が高まっています。モーターを効率的に駆動するには、速度と位置を検知する制御入力が必要です。しかし、このセンシングには多様な方法が存在し、それぞれに異なる属性と用途があります。

この記事では、さまざまな回転センシング技術を比較し、それらの選択理由について考察します。次に、市場で入手可能ないくつかの最新デバイスについて説明します。

位置センシングアプリケーション

位置センシングアプリケーションは、これまで手動で行われていたプロセスが自動化され、より高い精度、優れた生産性、および低い運用コストを実現することから、急速に拡大しています。実際、何らかの動きがあるところには、コントローラーに位置情報を提供するセンサーが存在します。

インダストリー4.0により、産業市場における自動化が急速に進んでいます。ロボット工学が普及し、疲労やミスを起こさない24時間365日の「無人」運転が可能になっています。このようなシステムでは、各運動軸にセンサーが必要です。また、従来の工場で人間と並んで作業する「コボット」にも同じことが言えます。

今日、多くの部品が、コンピューター数値制御(CNC)マシン、レーザーカッター、3Dプリンターなどの機械によって製造されています。これらの機械にはそれぞれに可動部品があり、品質目標を達成するには精密な位置制御が要求されます。成形された材料は、自動マテリアルハンドリングやコンベヤーベルトで運ばれることが多いため、やはり位置センシングが必要です。

工場環境の外では、患者またはスキャナーを移動させる大型医療機器に位置制御が必要です。また、ロボットが手術を行えるようになったため、ここでも非常に精密な制御が必要になります。

輸送部門では、どのアプリケーションにも動きが存在し、列車、農業機械、建設機器などの従来式の車両だけでなく、倉庫で使用される自律走行型モバイルロボット(AMR)などの新しいアプリケーションや現在使用中の何千機のドローンにも、位置センシングが採用されています。

乗用車の電動化が拡大するのに伴い、内燃機関(ICE)、電気自動車(EV)、ハイブリッド車など、あらゆる駆動方式で機械制御から「ドライブバイワイヤー」や「ステアバイワイヤー」などのシステムへの移行が加速しています。これらのシステムが動作するには、アクセルペダル(アクセル)の位置を電子制御ユニット(ECU)に、またはステアリングホイールの位置をステアリング制御システムに伝達する必要があります。

制御範囲が車両のほぼすべての操作にまで拡大しており、サスペンション構成部品(車高調整/乗り心地制御用)、パワートレイン、および電動ウィンドウ、サンルーフ、ドアロックなどの部分にも位置センシングが応用されています。

位置センシング技術の比較

回転位置センシングに利用できる主な技術は、光学式、磁気式、誘導式の3方式です。それぞれ動作モード、長所、短所、用途が異なります。

光学式エンコーダーは、一般的に最も高精度と考えられており(ただし、例外もあります)、ディスクに開いた穴を通過する光で位置を検出します。ディスクが回転すると、光パルスが発生して動きを検知できます。

  • 回転位置センシングの主な方式である光学式、磁気式、誘導式

    図1:回転位置センシングの主な方式である光学式、磁気式、誘導式

これらのデバイスは通常、精密ロボットやCNC旋盤またはレーザーカッターのような工作機械など、極限の精度が要求されるアプリケーションで使用されます。高精度で磁場の影響を受けにくい反面、振動やディスクの汚れに弱く、動作不良の原因となることがあります。

磁気式エンコーダーは一般的に精度が低く、主に低コストが求められるアプリケーションで使用されます。これらは振動や汚れに強い反面、外部磁場の影響を受けやすく、使用できる環境が限られます。

誘導式エンコーダーは、磁気式エンコーダーよりも高精度です。振動や汚染に強く、磁場の影響も受けません。また、再現性が高く、温度変化に強く、部品点数が少なく、小型で磁石などのレアアース材料を必要としないという利点もあります。

オンセミのデュアル誘導型位置センサー

オンセミのデュアル誘導型位置センサー「NCS32100」は、2枚のシンプルなPCBディスクを使用し、+50 arcsec、つまり0.0138度の機械的回転を超える、高い非接触位置精度を実現します。1枚のPCBはモーターのステーター(固定側)に取り付けられ、もう1枚の単層PCBはローターまたはシャフトに固定されています。両方のPCBは互いに平行で、0.1mm～2.5mmのエアギャップで分離されています。NCS32100はステーターのPCB上に配置されています。

細線および粗線(デュアル)の導電トレース、つまりコイルは、両方のディスク表面にプリントされています。また、励起コイルと呼ばれる第3の導電トレースが、ステーターPCBにプリントされています。NCS32100は4MHzの正弦波を励起コイルに送信し、ステーター励起コイルの周囲に電磁場を作ります。ファラデーの相互誘導の法則により、ローターの細線コイルと粗線コイルが電磁場を横切ると、ローターコイルにエネルギーが結合され渦電流が発生します。

一方、ステーターの細線コイルと粗線コイルは、最大8つのNCS32100のレシーバー入力に接続されます。ローターが回転すると、ローターの渦電流がステーターのレシーバーコイルを妨害します。NCS32100は、内部のDSP(デジタルシグナルプロセッサ)内の独自アルゴリズムで、これらの外乱を処理することによって、ローターの位置を測定します。

  • デュアル誘導型技術によりシンプルなソリューションで高性能を実現

    図2:デュアル誘導型技術によりシンプルなソリューションで高性能を実現

40mmのPCBセンサーを備えたNCS32100は、最大6000回転/分(RPM)で±50 arcsecの位置精度を達成し、精度は若干低下するものの、最大4万5000RPMの速度で位置を提供することができます。より大型のPCBセンサーまたはローターとステーターの正確な位置合わせで、より高い精度(±10 arcsec未満)を達成できます。

このシンプルなソリューションには、実装する電子部品がほとんどないため、小型化と低コスト化を実現できます。また、温度変化、汚染、外部磁場の影響をまったく受けません。

デュアル誘導型技術向け統合ソリューション

NCS32100を使用して、産業用アプリケーションおよび産業環境で使用するための高精度回転位置センサーを設計できます。アブソリュートデバイスであり、位置を特定するのに動きは必要ありません。

最大6000 RPMまで±50 arcsecの最大精度を達成しており、多くの光学式エンコーダーの性能に匹敵します。このデバイスはArm Cortex M0+ MCUも搭載しており、高度な構成が可能で、さらに内部温度センサーも備えています。

また、内蔵キャリブレーションルーチンにより、1つのコマンドでセンサーの自己キャリブレーションが可能で、開始されたプロセスは2秒で実行されます。リファレンスエンコーダーは不要で、ローターが100～1000RPMの間で動作している限り、このルーチンはいつでも実行できます。キャリブレーション係数はすべて不揮発性メモリ(NVM)に保存されます。

一般的な光学式ソリューションには、光学ディスク、ステーターPCB、LEDドライバーPCBの合計3枚のPCBが必要であり、フル機能を実現するには約100個の部品が必要です。

  • デュアル誘導型技術はよりシンプルかつ低コストで光学式に匹敵する精度を実現

    図3:デュアル誘導型技術はよりシンプルかつ低コストで光学式に匹敵する精度を実現

これに対して、NC32100をベースとしたソリューションには、部品のない単層のローターPCBと12個の部品を搭載したステーターPCBの2枚のPCBで済みます。

車載アプリケーションでは、コストと信頼性も重要ですが、特にステアリングやブレーキなどの用途では、安全性が最優先されます。オンセミの車載用アブソリュート型位置センサー「NCV77320」は、特にこのような重要なユースケース向けにISO26262に準拠して設計されています。NCV77320の位置精度は、PCBの形状に応じて194.3 arcsec、つまり0.0539度の機械的回転です。これは主に、NCS32100の8つのレシーバー入力に対して、NCV77320には3つのレシーバー入力しかなく、そして細線および粗線コイルPCBの構成に対応していないためです。NCV77320とNCS32100は両方とも、ロータリーエンコーダーまたはリニアエンコーダーとして動作できます。

NCV77320のアプリケーションには、ブレーキペダルセンサー、アクセルペダルセンサー、モーター位置センサー、ブレーキシステムセンサー、車両レベルセンサー、トランスミッションレンジセンサー、スロットル位置センサー、排気ガス再循環センサーなどがあります。

NCV77320は、NCS32100と同様に、汚染、温度変化、磁気干渉の影響を受けにくく、周囲温度範囲が-40ºC～+150ºCの車載環境で使用できます。

NCV77320は最大1万800 RPMの回転速度で動作でき、コンパニオンMCUとSENT、SPI、またはアナログで通信します。

まとめ

自動化の拡大に伴い、回転モーターの位置検知能力の必要性が高まっています。この目的のために、光学式、磁気式、誘導式などの多様な技術が用いられています。光学式は高精度ですが、高価で汚染に弱いのが難点です。磁気式は低コストですが、磁場の影響を受けやすいという欠点があります。

誘導式が主流になりつつある中、デュアル誘導型センサーの登場によって、光学式に匹敵する精度をより低コストで実現できるセンサーの構築が可能になりました。

本記事はonsemiが「Embedded Computing Design」に寄稿した記事「Inductive Position Sensors for Industrial and Transportation Markets」を翻訳・改編したものとなります

Bob Card(ボブ・カード)

onsemi、ASG Marketing Manager