ローエンドマイコンで実現できる 高機能なブラシレスDCモータ制御

イチオシ製品紹介

白物家電やFA機器など幅広い用途で利用されるブラシレスDCモータ(BLDCモータ)。そのBLDCモータの用途をより一層、拡大させる可能性を秘めたマイコン「RL78/G1F」をご紹介します。

ローエンドマイコンながら、高速なプログラマブルゲインアンプ(PGA)やコンパレータを内蔵し、ロータ初期位置検出やベクトル制御といった機能を実現できます。

BLDCモータ

ブラシレスDCモータを手ごろなマイコンで、より手軽に、そして、より高度に制御したい――。

こうしたニーズに応えるマイコンが低消費電力マイコン「RL78ファミリ」の新製品「RL78/G1F」です。

ブラシレスDCモータ(以下、BLDCモータ)は、冷蔵庫やエアコン、洗濯機などの白物家電をはじめ、電動工具、ロボット、搬送装置、ファンやポンプといったFA機器などで使用され、その用途は今も拡大を続けています。

BLDCモータの裾野を広げたマイコン

BLDCモータの用途が拡大を続けている背景には、ブラシ付きDCモータに比べ効率が良く、耐久性に優れるといったBLDCモータ自体の特長だけでなく、ブラシ付きDCモータに比べて複雑な制御を、より手軽に、より低コストで実現するマイコンが登場したことが挙げられます。これまでBLDCモータの裾野を広げてきたマイコンの一例が、「RL78/G14」です。

RL78/G14は、ルネサスのマイコン製品ファミリの中で最もエントリークラスに位置するRL78ファミリの1製品グループです。"低消費電力でありながら多彩な機能を備える" というRL78ファミリの特長そのままに、小規模ながらBLDCモータ制御を低消費電力で実現するマイコンで、BLDCモータ制御の基本を押さえた手ごろなマイコンとして、多くのユーザー、機器に使用されてきました。

しかし、その一方で、さらなるシステムの低コスト化、高性能化が求められる中、"より高度な制御を" "より手軽に" 実現したいというニーズが高まってきました。

エントリークラスにも求められる高機能を手軽に実現する

そこで、「より一層、BLDCモータ制御を手軽なものにし、BLDCモータの適用範囲を拡大するマイコンを実現する」というコンセプトの下、さまざまなBLDCモータ制御機能を強化した「RL78/G1F」を開発しました。

RL78/G1Fで強化されたBLDCモータ制御機能は、主に次の3つです。1つ目は、システムレベルの安全性向上などに貢献する「過電流検出/出力強制遮断機能」の強化。2つ目は、高効率なモータ駆動を低コストで実現する「1シャント電流検出によるセンサレスベクトル制御」への対応。3つ目が、センサレスで低コストながらも高度な制御を実現可能とする「センサレスロータ位置検出機能」の拡張です。今後、さらにBLDCモータの利用シーンを拡大していくと期待される、RL78/G1Fで強化された3つのBLDCモータ制御機能を詳しく紹介していきます。

RL78/G1Fのコンセプト

RL78/G1Fのコンセプト

より高速になった過電流検出機能

過負荷などに伴い発生し、モータの焼損、故障につながる過電流状態を検出する過電流検出機能。RL78/G1Fでは、この過電流検出を高速で行うとともに、検出後、CPUでの処理を介さずにすばやくモータ制御出力信号(PWM出力)を強制遮断する機能を内蔵しました。

従来のRL78/G14は、このような過電流検出機能を内蔵しておらず、外部に過電流検出回路を形成し、その信号を入力することが必要でした。これに対し、RL78/G1Fは、過電流検出を高速に実施するためのハードウェアを内蔵しています。具体的には、高スルーレートの「プログラマブルゲインアンプ」(以下、PGA)と、高速応答の「コンパレータ」です。また、これら機能による過電流検出信号によって、インバータに制御信号として供給されるI/OポートからのPWM信号出力を強制遮断する「PWMオプションユニット」(以下、PWMOP)を新たに搭載し、迅速な遮断、多様な解除方法に対応しました。

PGAは、電流検出用シャント抵抗の微小な電圧変化を、4倍・8倍・16倍・32倍の増幅率から選択して増幅可能です。スルーレートも3.5V/μs以上(VDD≧4Vのとき/増幅率32倍時は3.0V/μs以上)と高速で、専用グランド入力(PGAGND端子)によりマイコン内部のノイズ影響を受けない増幅が可能となっています。

増幅された電圧信号を、基準電圧と比較し、過電流状態を判断するコンパレータは、反応時間が0.07μsとRL78/G14が搭載したコンパレータよりも8倍高速です。比較基準電圧は、外部入力や内蔵基準電圧(1.45V)以外にも、コンパレータ付属のD-Aコンバータにより内部生成し利用することができます。

RL78/G1Fのモータ制御機能の特長

RL78/G1Fのモータ制御機能の特長

1シャント方式のベクトル制御機能も実現可能に

BLDCモータをより高効率、低騒音で制御する手法として、常にロータ(回転子)の位置を把握し、ロータ位置に応じて最適な制御を行うベクトル制御方式があります。ベクトル制御方式、特にセンサレスベクトル制御は、演算量が多いことや電流を検出するタイミングに制約があるなど、エントリークラスのマイコンでは、対応が難しい制御方式でした。

これに対しRL78/G1Fでは、エントリークラスとしては元々高い処理能力を有している上に、高速なPGAを搭載したことで、1本のシャント抵抗で電流を検出しセンサレスで制御する「1シャント電流検出によるベクトル制御」も実現が容易になりました。少ない外付け部品で低コストに、ベクトル制御を実現できるようになり、BLDCモータの適用範囲を広げる可能性を秘めています。

RL78/G1Fを使用したセンサレス1シャントベクトル制御イメージ

RL78/G1Fを使用したセンサレス1シャントベクトル制御イメージ

センサレスロータ検出拡張機能

BLDCモータの制御方式としては、比較的容易な「120度通電制御」(矩形波制御)が広く用いられてきました。中でも、「センサレス120度通電制御」は、ロータ位置検出用のホール素子やエンコーダーといったセンサを使わず、モータの逆起電力からロータ位置を推定するため、部品コストを低減できます。

これまでのRL78/G14などのローエンドのモータ制御用マイコンでは、モータ回転時の三相それぞれの電圧を内蔵A-Dコンバータを用いて取得し、各相電圧の平均値(中点電圧)と電圧を印加していない相に生じている逆起電圧値とを、ソフトウェア処理によって計算・比較することでロータ位置(ゼロクロス点)を検出する方式に対応していました。

これに対し、RL78/G1Fは、高速過電流検出用と同性能の高速コンパレータをロータ位置検出用としても内蔵。比較基準の三相中点電圧と、三相それぞれの電圧とを選択的にこのコンパレータで高速に比較して、ゼロクロス点を検出することが、3つのコンパレータを外付けすること無しに可能となりました。RL78/G1Fは、G14同様に内蔵A-Dコンバータによるロータ位置検出にも対応しますが、このコンパレータでのハードウェアによるゼロクロス検出方式の方がCPUの処理が少ない分、ソフトウェアの負荷が減り、また、A-Dコンバータの変換時間を考慮する必要が無いなど、高速モータ対応にも優れています。

ロータ位置(ゼロクロス)検出方法のイメージ。RL78/G1Fは、コンパレータレス方式、コンパレータ方式の両方式に対応する

ロータ位置(ゼロクロス)検出方法のイメージ
RL78/G1Fは、コンパレータレス方式、コンパレータ方式の両方式に対応する

ロータ初期位置検出機能にも対応

さらにRL78/G1Fは内蔵した高速コンパレータを使用して、ロータ初期位置を短時間かつ、低消費電流で行える機能も実現しています。

逆起電力を利用してロータ位置を検出するBLDCモータのセンサレス制御では、モータが停止していて逆起電力が発生しない状態ではロータ位置(=初期位置)の検出は行えません。ロータ位置が分からずにモータを強制的に始動させると、逆回転を起こすなどしてスムーズな始動が行えず、強いトルクでの始動も行えず、また、無駄な電流を流してしまうなどの課題も存在します。初期位置検出ができ、その位置情報を始動制御に反映できれば、これら課題の解消が可能となります。

RL78/G1Fのロータ初期位置検出は、効率を考えて、2種類の処理で行います。


より詳しく「ロータ初期位置検出」を知りたい方は以下の資料をご覧下さい。

センサレスでも滑らかな高速始動を実現するには?

新機能を活用したアプリケーションノートも提供

センサレス方式のブラシレスDCモータの制御に役立つマイコン活用による「ロータ初期位置検出」について説明します。この手法は、センサレス方式特有のモータ始動時の課題を解決します。

なめらかで素早い高トルク始動、高効率のシステムを実現できます。

なめらかな高速始動をセンサレス初期位置検出で実現、マイコンがブラシレスDCモータの“真価”を引き出す