六月 27, 2023
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自律走行ロボット（AMR）は、安全性の改善や効率の向上など、さまざまな分野および産業に多くのメリットをもたらしています。しかし、これらの複雑なシステムを安全かつ独立して動作させるには、複数のテクノロジーを注意深く統合する必要があります。AMRを開発する場合、設計段階が最も重要であり、AMRの成功の可否を大きく左右します。このブログでは、2つの重要なAMRコンポーネントである、電源制御とモーションコントロールに関する設計上の考慮事項を、オンセミの適切なソリューションと併せて詳しく説明します。
図1：オンセミの自律移動ロボットのデモ
AMRへの電源供給
自律走行ロボットに使用される電源システムと電源コンポーネントは、全体的なバッテリ寿命と稼働時間に大きく影響されます。AMRの電源システムを設計する際に考慮すべき重要な性能特性とパラメータは次のとおりです。
AMRは、エネルギー密度が高く寿命が長いので、一般的にリチウムイオン電池が使用されます。同時に、電源管理ユニットはバッテリから他のコンポーネントへの電力の流れを調整します。電圧と電流のレベルは、スイッチングコンバータと電圧レギュレータによって制御されます。AMRのバッテリ管理システムは、バッテリの状態、充電、温度、電流を監視してAMRが安全かつ効率的に動作するようにします。一方、車載用充電器の仕様は、バッテリの種類、容量、電圧によって異なります。インテリジェントなパワーモジュールは、モータ制御システムに高電力スイッチングを提供します。ゲートドライバはIPMで電源スイッチを伴い、スイッチをオン/オフするための適切な信号を供給します。力率補正(PFC)コントローラによって、電力システムの全体的な効率が向上します。オンセミの製品は、トーテムポールPFCフロントエンドやLLC共振トポロジベースDC-DCステージなどのAC-DC電源アプリケーションに最適です。また、AMRでの高効率および高密度の高速バッテリ充電器の設計を可能にする高電圧DC-DC電力ステージにも最適です。
図2：AMRパワーソリューション
AMRアクチュエータ用モータ設計
モータ駆動アクチュエータは、マシンのアームや車輪を動かすことができるため、AMRではその選択がきわめて重要です。AMRには、軽量かつコンパクトながら高効率を実現する、高トルクおよび高速度のアクチュエータが必要です。アクチュエータを選択するには、ブラシレスDC（BLDC）モータ、モータコントローラ、MOSFET、ユニバーサルコントローラボード（UCB）、ゲートドライバなどのコンポーネントの評価が必要となります。
BLDCモータには、ブラシ付きモータに比べていくつかの利点があります。BLDCモータは、高効率、低ノイズ、高信頼性（つまりメンテナンスが少なくてすむ）の理由から、AMRに使用されています。しかし、その制御には複雑なアルゴリズムと適切なドライバが必要です。三相BLDCモータは、ロボットや産業用ドライブに広く使用されています。
図3：AMRのBLDCモータ制御ソリューション
モータコントローラの機能は、AMRアクチュエータのモータを精密に制御することです。これらのデバイスは完全に統合する（組み込み制御アルゴリズムを用いて）ことができますが、モータ制御アルゴリズムを実行する専用マイクロコントローラユニット（MCU）を使用することもできます。三相モータ（AMRでは一般的）は、パルス幅変調（PWM）オン/オフ信号を利用して、パワートランジスタで駆動されます。これらのスイッチは、シリコンまたはシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ材料から作成できます。オンセミは、ECS640A ecoSpin™モータコントローラUCB、NCP81075ゲートドライバ、MOSFET 3相BLDC電源ボードなど、いくつかのBLDCモータ制御ソリューションを提供しており、AMRアクチュエータ開発を加速するのに使用できます。
UCBは、Xilinx® Zynq®-7000 SoCをベースとするシステムオンモジュール(SoM)で、高精度アプリケーションに最適であり、高度な人工知能(AI)機能にも使用できます。オンセミは、u8FL、SO8-FL、デュアル冷却、上面冷却などのパッケージオプションを備えたシールドゲートトレンチ技術ベースのMOSFET (30V～150V)も提供しています。新しいT10技術ベースの30-40Vおよび80V MOSFETは、低電圧および中電圧をサポートします。T10デバイスは、電力変換とモータ制御の2つのカテゴリに分類されます。モータ制御用のT10Mデバイスは、クラス最高のオン状態抵抗、UIS機能の10%向上、電圧スパイクおよびEMI問題の軽減のために、優れたボディダイオードのソフトネスを提供します。高電力アプリケーションでの三相BLDCモータの場合、オンセミではPTNG技術ベースのMOSFET (80 V、100 V、120 V、150 V) を推奨していますが、NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTLBS1D5N10MC、およびNTBLS4D3N15MC MOSFET は高性能アプリケーションの要件を満たしています。
設計のためのパートナの選択
電源制御およびモーションコントロールは、最終的に柔軟でインテリジェントな自律走行ロボットにとって重要な技術となります。個々のシステムおよびコンポーネントの選択は、時間経過に伴って、これらの高度なソリューションの性能や信頼性に大きな影響を及ぼす可能性があります。オンセミは、AMRが潜在能力を最大限に発揮できるように、設計者の選定プロセスを全面的にサポートします。AMRの詳細については、ホワイトペーパ「Solutions and Considerations for Autonomous Mobile Robots.」をダウンロードしてください。
AMRの詳細については、こちらのビデオもご覧ください。
Hunter Freberg
