モーター・ドライブは、製造、組み立て、包装、ロボット工学、CNC （コンピュータ数値制御)、工作機械、ポンプ、産業用ファンなど、多種多様な産業プロセスに利用されています。これらのモーター・ドライブ・システムは、産業用電力消費量の 3 分の 2 以上を占めており、その運転効率は工場の利益に直結します。従来の制御方法を可変速ドライバーなどの、より効率的なモーター・ドライブに置き換えることにより、エネルギーの大幅な節約を実現できます。アルテラの FPGA アーキテクチャは、あらゆるタイプのドライブに効果的なプラットフォームを提供します。
アルテラの FGPA を使用してモーター・ドライブを設計すれば、以下の特長により、ドライブ・システムの統合や最適化を柔軟に行うことができます。
- デザインの統合： デュアルコア ARM® ハード・プロセッサ、Nios® II ソフト・エンベデッド・プロセッサ、エンコーダ・インタフェース、DSP 制御アルゴリズム、および産業用ネットワークを、単一のデバイスに統合できます。
- 性能の拡大： 並列処理と機能のスケーラビリティによって、さまざまなタイプのモーターでより高い性能と効率が得られます。
- デザインの柔軟性： IP (Intellectual Property) コアを再利用し、可変精度デジタル信号処理 (DSP) ブロックを活用します。制御パスのあらゆる部分に対して、固定小数点精度または浮動小数点精度を使用します。
- 確定的レイテンシ： モーターのアルゴリズムと確定的動作をハードウェアで実装します。
- 機能安全： 機能安全関連の認証取得に必要な時間と労力を削減します。アルテラは、自社デバイスおよびツール製品において、欧州機械指令 IEC 61508 安全規格の認証を業界で初めて取得した FPGA サプライヤです。
単一の FPGA プラットフォームで多様なデザインに対応
図 1 に示す単一のアルテラ FPGA プラットフォームをベースとするドライブ・システムは、ASIC、ASSP、マイクロコントローラ、および DSP デバイスに基づく従来のドライブ技術とは異なり、ドライブに対する多様な要求に対応するスケーラブルなプラットフォームを提供します。
図 1. 「ドライブ・オン・チップ」： 高性能プロセッサ、モーター制御アルゴリズム、I/O ロジック、産業用イーサネット・プロトコル、およびセーフティ・エレメントを搭載した Cyclone V または Cyclone V SoC (System-on-a-Chip) FPGA
アルテラ FPGA では、Nios II エンベデッド・ソフト・プロセッサやさらに強力なデュアルコア ARM Cortex-A9 MPCore ハード・プロセッサなどの、各種プロセッサ・アーキテクチャを利用できます。FPGA ベースのモーター制御システムは、さまざまなタイプのオペレーティング・システム、最新の産業用イーサネット・プロトコル、デジタル・エンコーダ・インタフェース、浮動小数点演算、およびハード化されたデバイス機能 （メモリ・コントローラ、可変精度 DSP ブロック、トランシーバなど） のサポートにより、以下のことを実現します。
- 永久磁石同期モーター (PMSM)、ブラシレス DC モーター (BLDC)、AC インダクタ・モーター、サーボ・モーター、高精度ステッパ・モーターなどの各種モーターの制御
- 多軸制御への拡張
- 5 µs 未満の並列制御ループのハードウェア実装
- EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Ethernet Powerlink などの、あらゆる産業用イーサネット・プロトコルを使用したデザイン
最適化されたモーター制御デザイン・フロー
モーター制御アルゴリズムおよびデザインを最適化するには、汎用性に優れたツールと実用的なツール・フローが必要です。図 2 に示すように、適切なツール・フローはシステムのモデル化とシミュレーション、複雑なアルゴリズムの低レイテンシでの実装、システムの統合、およびモーター・ドライブのニーズに正確に合わせた性能の微調整を支援します。
図 2. 直観的なデザイン・フローによるドライブ・デザインの最適化
また、Quartus® II 開発ソフトウェアなどの強力で使いやすい開発ツールや、Qsys、DSP Builder などのシステム統合ツールを使用して DSP を最適化することもできます。MATLAB/Simulink などのモデル・ベースの環境を利用したアルゴリズムのモデル化もサポートされるため、モーター制御システムを DSP Builder ツールに直接統合して、最大限に最適化されたアルテラ・ベースのドライブ・デザインを構築することも可能です。さらに、使い慣れたツール・フローと ARM ベースのエコシステムのリソースを使用して開発期間を短縮し、レガシー・コードも利用できます。
アルテラのリファレンス・デザインのほか、Cyclone® IV E Industrial Networking Kit (INK) などの開発キットを利用すれば、デザインを素早く開始できます。また、BLDC モーターの制御に最適化された Cyclone IV FPGA ベースの汎用性に優れたモーター制御キットとして、EBV Elektronik 社から FalconEye モーター制御開発キットが提供されています。あるいは、BeMicro SDK ベースのモーター制御キットである Arrow Electronics 社の BeInMotion Kit を使用して、単一の FPGA でスケーラブルなモーター制御システムを構築することも可能です。
関連リンク
- SoC FPGA の概要
- Cyclone V SoC FPGA
- ソリューション・シート： ワンチップ SoC FPGA による産業用モーター・ドライブ（PDF）
- アルテラの FPGA 向け組込みプロセッサ
- ホワイトペーパー: 統合 FPGA デザイン・フローによるモーター制御デザインの最適化 (PDF)
- ホワイトペーパー：FPGA で実現－産業用アプリケーションに柔軟性をもたらす5 つの方法 (PDF)
- ホワイトペーパー：産業用アプリケーションにおける、設計資産保有の総コストの削減 (PDF)
- ホワイトペーパー：産業用イーサネットに対応する柔軟性の高いソリューション (PDF)
- ビデオ: Four Reasons Why FPGAs Are Right for Motor Control
- ビデオ：Three Ways to Quickly Adapt to Changing Ethernet Protocols
