ドライバ診断を統合したスマート電気機械アクチュエータ
電気機械アクチュエータには、エッジでのインテリジェンスを強化するためのスマートで統合されたドライバソリューションが必要です
（出典：wpw/stock.adobe.com; AIで生成）
エッジでのインテリジェンスを強化するという私たちの探求において、電気機械アクチュエータのような物理的なエッジデバイスは、マシンでのより良いリアルタイム意思決定から利益を得るために、よりスマートな機能を必要としています。これらのアクチュエータは、スマートで価値のある、豊富なセンサのようなフィードバックを提供します。これらはロボットを制御し、工場プロセスを操作および自動化し、デジタル情報を物理的な動きに変換すると同時に、高度なインテリジェンスと自己認識を提供します。[1] アクチュエータが物を操作する一方で、センサは現実世界のパラメータを測定および定量化するために使用され、物理的な値からデジタル値へと変換します。そのため、アクチュエータとセンサは、依然として別々のデバイスまたはコンポーネントと見なされることがほとんどです。
ステッピングモータとソレノイドは、それらの電気機械アクチュエータの大部分を占めており、あらゆる工場フロア、自動車アプリケーション、ラボ自動化などで見られます。数十億米ドル規模のグローバルなステッピングモータおよびソレノイド市場は成長を続けており、ラボおよび医療アプリケーション、産業用アプリケーション、および自動車アプリケーションによって牽引されています。これらのアプリケーションは、アクチュエータとドライバエレクトロニクスの自動化と小型化の高度化に対する関心の高まりを要求しています。従来のドライバソリューションは、これらの新しい要件に合わせて調整されておらず、センシング機能が欠けています。
スマートコントローラとドライバで構成される最新のシリコンcDriver™ソリューションは、センサ機能とアクチュエータ機能を単一の統合コンポーネントに統合し、組み込みモーション制御ソリューション]内で使用することで、エッジでのインテリジェントなアクチュエータを実現します。[2] 電気機械アクチュエータの内部またはその場所で直接のみ利用可能なシステムパラメータおよび状態変数が、その場で測定および評価されます（例：温度、ソレノイド反応時間、モータ負荷値）。
センサ機能とアクチュエータのこの融合は、電気機械アクチュエータにパラダイムシフトをもたらします。それらは、単純な電力変換システムから、アクチュエータを完全に制御し、現場のデータを上位制御レベル、クラウド、またはAI生産性ソリューションにフィードバックする自己認識センサへと進化します。電気機械ユニットがセンサになるのです。
なぜ電気機械アクチュエータを制御するための新しいアプローチが必要なのか？
現在市場で入手可能なドライバICソリューションは、ソレノイド駆動アプリケーションや効率的で経済的な実装には実際には適していません。それらには、組み込み制御シーケンサー、アプリケーション固有の機能、診断機能、および保護機能が欠けています。高度な制御機能（ドライバシーケンサー、ディザリング、高速消磁、電流測定）や高度な診断機能（プランジャーの動きの検出、[3] オン/オフ状態検出、インダクタンス測定、オープンロード検出）が必要になるたびに、追加の外部回避策や回路が必要となるため、システムの複雑さが大幅に増大します。[4] 設計者は、すべてのブロック（デジタルコントローラ、電流センシング、信号調整、パワー段、保護）を設計し、それらを相互接続する必要があります。ボードスペースの占有、長い設計時間、アプリケーションの信頼性、長い部品表（BOM）、および柔軟性の欠如は、設計者が依然として直面しなければならない問題の一部です。
強化された診断は、電気機械アクチュエータ向けの組み込み制御およびドライバソリューションに対する追加の要件とニーズをもたらすいくつかの世界的なトレンドの1つです。
電気機械アクチュエータは、長期稼働中に劣化しやすく、電気的な側面（コイルの問題、残留コイル電力、過熱、絶縁不良）や機械的な側面（バルブの不完全な閉鎖または開放、手動オーバーライド、圧力差、汚れの蓄積、バルブ機構の損傷、グリースの乾燥）で他の故障シナリオを示す可能性があります。これらの課題は、アクチュエータおよびそれらが使用されるシステムの性能、寿命、および稼働率に影響を及ぼします。その結果、デジタル化に対する重要な需要が生じています。つまり、アクチュエータとその制御エレクトロニクスの健全性状態を監視するためのローカルシステムパラメータに関する詳細かつ高品質な診断フィードバックであり、ローカルマシンレベルで変化に対応し、エッジから上位制御レベルへ前処理された診断情報または生データを通信するためのより良い意思決定を行うためです。これには、単純なドライバエラーフラグを超えたフィードバックと診断が必要です。
強化された診断：予知保全と自己認識への道を開く
センサのようなデータは、スマートなcDriver内でローカルに利用可能です。しかし、この豊富な情報セットで何ができるのでしょうか？
スマートcDriverソリューションで利用可能なパラメータには、ドライバ温度、コイル抵抗と温度に関する情報、コイルインダクタンス推定、供給電圧、実際のコイル電流、および逆起電力（BEMF）情報が含まれます。スマートな統合アルゴリズムと機能により、システムやアプリケーションの状態、およびソレノイドの反応時間や移動時間、ローカル電流ディップ、オープンロード検出、過電流および短絡検出、部品の閉鎖やプランジャーの動きの検出、プランジャー変位測定、リアルタイム電流監視といったその他のシステムパラメータを導き出すことができます。ステッピングモータの場合、StallGuard™に基づく実際の負荷情報とCoolStep™電流削減レベルも読み出すことができます。[5] 多くのアプリケーションにとって、StallGuard負荷値は非常に価値のある情報です。長期的なドリフトは、メカニズムやギアの劣化、またはアプリケーション内の機械的なエンドストップの欠陥を示している可能性があるためです。StallGuard値はモータシャフトの負荷状態に直接関連しており、モータの加速や外力に応じてアプリケーション内や時間の経過とともに変化する可能性があります。StallGuard値は、物理的なモータストールが発生する前にそれを検出することさえ可能です。これは、アプリケーションにおけるセンサレスのエンドストップ検出やキャリブレーションに使用できます。
ローカルのセンシング機能と診断、およびこの現場でのフィードバックの利用可能性は、図1に示す3つの異なるレベルでの予知保全と自己認識への道を開きます。
- cDriverコンポーネントのローカル内部
- 組み込みサブシステム<1>のローカルマイクロコントローラユニット（MCU）におけるアプリケーションレベル
- 工場フロア、プラント制御、またはクラウドなどの上位レベル
図1：スマートcDriver™ 電気機械アクチュエータシステム内のセンサおよび診断データの流れを示す図。アクチュエータからMCU、工場またはクラウド層へのデータパスを示しています。（出典：Analog Devices）
ローカル監視および自己診断機能により、コントローラおよびドライバエレクトロニクスの内部で、より優れたリアルタイムの意思決定を行うことができます。これらには、構成可能な熱保護制限、構成可能な短絡検出、故障時のドライバ保護、自動ヒット・ツー・ホールド電流切り替え、および即時の故障報告（例：ソレノイドのプランジャーが動かなくなった場合）が含まれます。
ローカルMCUを使用することで、アプリケーションのコンテキスト内でセンサのようなデータを解釈することにより、より精巧な機能を実装できます。リアルタイム監視は、cDriverのシリアルインターフェイスを介して可能です。診断情報とパラメータは、アクチュエータとcDriverからの継続的なフィードバックのストリームとして利用できます。これにより、より具体的な状態監視、長期的な故障特定、さらにはパターン検出が可能になります。時間の経過とともに、反応時間や移動時間の測定、ローカルディップ検索、プランジャー変位、負荷値などのパラメータのドリフトは、アクチュエータの経年劣化の兆候であり、耐用年数中の予防保全の必要性を示しています。センサデータは集約可能です。単純な故障検出を超えたアプリケーション統計は、IO-Link®、CANopen、さらには産業用イーサネット派生規格などの通信バスインターフェイスを介して上位制御層に通信される前に、適切な形式に前処理することができます。
まとめ
センサとアクチュエータを融合させた新しいcDriverコンポーネントは、エッジにおけるスマートな電気機械アクチュエータを実現します。cDriverコンポーネントは、単にソレノイドを切り替えたりモータを回転させたりするだけでなく、広範な診断機能を提供するため、それ自体が一種のセンサとなります。前処理されたデータにより、ローカルで意思決定を行い、安全性や監視機能を提供します。このようなスマートセンシングアクチュエータは、機械的な課題を解決し、複雑さを隠蔽し、高度な機能をカプセル化し、上位制御層にさらなる処理のための豊富な情報を提供し、コストと消費電力を削減することで、未来のサイバーフィジカルシステムや工場フロアに付加価値をもたらします。これは、デジタル化の新たなレベルであり、エッジにおける電気機械アクチュエータの制御におけるパラダイムシフトです。
Stephan Kubischはブログ「Electromechanical Actuators Require Smart and Integrated Driver Solutions to Empower the Intelligence at the Edge（電気機械アクチュエータには、エッジでのインテリジェンスを強化するためのスマートで統合されたドライバソリューションが必要である）」を執筆しました。これは最初にwww.analog.comで公開されたものであり、許可を得てここに転載しています。
出典
[1] https://www.edn.com/intelligence-at-the-factory-edge-boost-productivity-and-improve-costs/
[2] https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/embedded-motion-control.html; “Beyond Sensors and Cameras: How Embedded Motion and Motor Control Advances IoT.” Trinamic, December 2018
[3] https://www.freepatentsonline.com/y2020/0328019.html
[4] https://www.ti.com/lit/wp/ssiy001/ssiy001.pdf?ts=1651452039355; https://www.ti.com/tool/TIDA-00289; https://www.analog.com/en/resources/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0415.html; https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/current-measurement-in-solenoids.html
[5] https://www.analog.com/en/lp/001/building-better-stepper-motor-system.html; https://www.youtube.com/watch?v=l6r63Q7Yr58
著者
Stephan Kubisch氏は、ADI Trinamic™、INA、CMRのソリューション担当ディレクターです。Stephan氏は、産業オートメーションビジネスユニット内のConnected Motion and Roboticsチームにおいて、モータおよびモーション制御ソリューションの研究開発活動を管理しています。Trinamic Motion Control（旧Maxim Integratedの一部、現在はAnalog Devicesの一部）では、製品定義ディレクター、R&D責任者、シニアIC設計者など、さまざまな役割を歴任しました。Stephan氏は情報技術の博士号を取得しています。
著者について
Analog Devicesは、イノベーション、パフォーマンス、卓越性といった企業文化の柱を基盤として、テクノロジー業界において最も長い歴史を持ち、最も高い成長を遂げてきた企業のひとつです。データ変換および信号調整技術における世界的なリーダーとして業界全体から認められているアナログ・デバイセズは、事実上あらゆる種類の電子機器を扱う10万社以上の顧客にサービスを提供しています。アナログおよびデジタル信号処理アプリケーションに使用される高性能集積回路のグローバルリーディングメーカーとして50年以上の実績を誇るAnalog Devicesは、マサチューセッツ州ノーウッドに本社を置き、世界中に設計・製造拠点を展開しています。Analog DevicesはS&P 500指数に組み入れられています。