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Sensorless FOC for cordless power tools

NXTY_hayashi
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Hi,

I want to translate the following article into Japanese, please confirm to my work.
URL:https://community.infineon.com/t5/Knowledge-Base-Articles/Sensorless-FOC-for-cordless-power-tools/ta...

Best Regards,
Kazunari Hayashi

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NXTY_hayashi
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センサーレスFOCは、以前は実装が複雑すぎてパワードリルやパワーレンチなどの電動工具用途には性能が十分でないと考えられていました。しかし、高性能なモータコントローラと高度なモータ制御アルゴリズムにより、センサレスFOCの実現が可能になりました。

パワーツールのトレンド

二次電池が高密度化され、より長持ちするようになりました。また、軽量化も進んでいます。コードレス電動工具は電源に接続する必要がなく、電線や電源の制約がないため機動性に優れ、バッテリー式やコードレス式電動工具の明らかなメリットです。

さらに、ブラシ付きDCモーターと比較して、ブラシレスDC/PMSMモーターはますます人気が高まっています。ブラシレスDC/PMSMモーターは適切な制御技術により、より効率的に動作します。また、小型化・軽量化も可能、軽量・コンパクト ブラシやコミュテータがないため寿命が長い、ノイズやEMIが少ない、定期的なメンテナンスが不要となり多くのメリットがあります。

矩形波制御方式は、BLDCモータの駆動に使用されるシンプルな制御方式です。しかし、整流区間ごとにロータ磁束とステータ磁束を90°に保つことができず最大トルクを得ることができません。FOC方式はこの角度を90°に保つことができるため、効率がよくトルクも滑らかになります。

図1 工具のトルクイメージ

FOCの技術

FOCは三相インバータ回路に対して正弦波変調を生成し、正弦波の周波数と振幅を簡単に制御して電流を最小化しつつ効率を最大化する方法です。本質的な考え方は、3相のサンプリングされた電流信号を2相のローター固定信号に変換、最終的には静止基準フレーム(stationary )として扱うことができ、比較的容易に制御することができます。

図2. 静止基準フレームと2相・3相の回転基準フレーム

三相系から二相系への変換をクラーク変換、静止状態から回転二相系への変換をパーク変換と呼びます。FOCモータ制御では、ロータ位置とロータ速度のフィードバックが必要で、これにはロータ位置推定アルゴリズムから得る、または、ロータ位置センサから得る方法が一般的です。ロータ位置推定アルゴリズムからのフィードバックする場合、センサレスFOCモータ制御と呼ばれます。

図3 永久磁石のFOC ブロック図

高性能マイコンと高度なアルゴリズムのおかげで、センサーレスFOCは多くのアプリケーションに使用することができます。例えば、電動工具、ガーデニングツール、家電製品などです。

インフィニオン社 MOTIX™ IMD700A

MOTIX™ IMD700Aは、三相BLDCまたはPMSMドライブ・アプリケーション向けに特別に設計されたコントローラです。同社のXMC1404 Arm® Cortex®-M0マイクロコントローラと、電源を統合した70V三相スマートゲートドライバであるMOTIX™ 6EDL7141とを統合しています。センサ付きおよびセンサなしのモータ制御に使用することができます。

図4 MOTIX™ IMD700A/IMD701Aのブロック図

XMC1404マイクロコントローラは、PMSM FOCモータ制御システムに最適なマイクロコントローラです。モーター制御専用のペリフェラルPOSIF、MATH、CCU8、ADC、CCU4を搭載しています。

6EDL7141 は、柔軟性の高い 3 相ゲートドライバです。システムで必要とされる完全な電源、3つの電流センス(CS)アンプ、保護機能、および特定のニーズに合わせるための顕著な構成セットを備えています。

インフィニオンの高度なモーター制御アルゴリズムを実装することで、IMD700Aは電動工具アプリケーションに理想的に適合しています。デバイスの高集積化とセンサレス制御方式により、アプリケーションは柔軟なフォームファクタの恩恵を受けることができます。電気クラッチ(トルク制御)やMTPAなどの一部のアルゴリズムでは、電動工具のサイズをさらに縮小し、性能を向上させることができます。

図5.MOTIX™ IMD700Aを用いたPMSM FOCモータ制御のブロック図

インフィニオンは、強力なモーター・コントローラIMD700Aと高度なモーター制御アルゴリズムにより、お客様の開発作業を容易にし、市場投入までの時間を短縮するお手伝いをします。さらに、インフィニオンの高品質な標準デバイスとファームウェアにより、信頼性と堅牢性を大幅に向上させることができます。

詳細情報

以上

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Hi Kazunari Hayashi san,

Confirm to work on this KBA

Thanks,
Bindu

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センサーレスFOCは、以前は実装が複雑すぎてパワードリルやパワーレンチなどの電動工具用途には性能が十分でないと考えられていました。しかし、高性能なモータコントローラと高度なモータ制御アルゴリズムにより、センサレスFOCの実現が可能になりました。

パワーツールのトレンド

二次電池が高密度化され、より長持ちするようになりました。また、軽量化も進んでいます。コードレス電動工具は電源に接続する必要がなく、電線や電源の制約がないため機動性に優れ、バッテリー式やコードレス式電動工具の明らかなメリットです。

さらに、ブラシ付きDCモーターと比較して、ブラシレスDC/PMSMモーターはますます人気が高まっています。ブラシレスDC/PMSMモーターは適切な制御技術により、より効率的に動作します。また、小型化・軽量化も可能、軽量・コンパクト ブラシやコミュテータがないため寿命が長い、ノイズやEMIが少ない、定期的なメンテナンスが不要となり多くのメリットがあります。

矩形波制御方式は、BLDCモータの駆動に使用されるシンプルな制御方式です。しかし、整流区間ごとにロータ磁束とステータ磁束を90°に保つことができず最大トルクを得ることができません。FOC方式はこの角度を90°に保つことができるため、効率がよくトルクも滑らかになります。

図1 工具のトルクイメージ

FOCの技術

FOCは三相インバータ回路に対して正弦波変調を生成し、正弦波の周波数と振幅を簡単に制御して電流を最小化しつつ効率を最大化する方法です。本質的な考え方は、3相のサンプリングされた電流信号を2相のローター固定信号に変換、最終的には静止基準フレーム(stationary )として扱うことができ、比較的容易に制御することができます。

図2. 静止基準フレームと2相・3相の回転基準フレーム

三相系から二相系への変換をクラーク変換、静止状態から回転二相系への変換をパーク変換と呼びます。FOCモータ制御では、ロータ位置とロータ速度のフィードバックが必要で、これにはロータ位置推定アルゴリズムから得る、または、ロータ位置センサから得る方法が一般的です。ロータ位置推定アルゴリズムからのフィードバックする場合、センサレスFOCモータ制御と呼ばれます。

図3 永久磁石のFOC ブロック図

高性能マイコンと高度なアルゴリズムのおかげで、センサーレスFOCは多くのアプリケーションに使用することができます。例えば、電動工具、ガーデニングツール、家電製品などです。

インフィニオン社 MOTIX™ IMD700A

MOTIX™ IMD700Aは、三相BLDCまたはPMSMドライブ・アプリケーション向けに特別に設計されたコントローラです。同社のXMC1404 Arm® Cortex®-M0マイクロコントローラと、電源を統合した70V三相スマートゲートドライバであるMOTIX™ 6EDL7141とを統合しています。センサ付きおよびセンサなしのモータ制御に使用することができます。

図4 MOTIX™ IMD700A/IMD701Aのブロック図

XMC1404マイクロコントローラは、PMSM FOCモータ制御システムに最適なマイクロコントローラです。モーター制御専用のペリフェラルPOSIF、MATH、CCU8、ADC、CCU4を搭載しています。

6EDL7141 は、柔軟性の高い 3 相ゲートドライバです。システムで必要とされる完全な電源、3つの電流センス(CS)アンプ、保護機能、および特定のニーズに合わせるための顕著な構成セットを備えています。

インフィニオンの高度なモーター制御アルゴリズムを実装することで、IMD700Aは電動工具アプリケーションに理想的に適合しています。デバイスの高集積化とセンサレス制御方式により、アプリケーションは柔軟なフォームファクタの恩恵を受けることができます。電気クラッチ(トルク制御)やMTPAなどの一部のアルゴリズムでは、電動工具のサイズをさらに縮小し、性能を向上させることができます。

図5.MOTIX™ IMD700Aを用いたPMSM FOCモータ制御のブロック図

インフィニオンは、強力なモーター・コントローラIMD700Aと高度なモーター制御アルゴリズムにより、お客様の開発作業を容易にし、市場投入までの時間を短縮するお手伝いをします。さらに、インフィニオンの高品質な標準デバイスとファームウェアにより、信頼性と堅牢性を大幅に向上させることができます。

詳細情報

以上

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Hi,Kazunari Hayashi-san

Confirm to receive this KBA. 

Thank you for your work. 

Bindu
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