電気機械アクチュエータ向けのスマートなドライバIC、よりインテリジェントなエッジを実現可能

エッジのインテリジェンスを強化するにはどうすればよいのでしょうか。注目すべき要素は、電気機械アクチュエータ用のドライバICです。非常に高度でスマートなドライバICを採用することにより、目的を達成することができます。実現したいのは、アクチュエータとセンサーの機能を併せ持つスマート・エッジ・デバイスを構成することです。そうすれば、マシンのレベルでリアルタイムの優れた意思決定が行えるようになります。また、上位の制御レベル、クラウド、あるいはAIによって生産性の向上を図るソリューションに対し、エッジから情報をフィードバックすることができます。本稿では、アナログとデジタルが交わるインテリジェントなエッジに必要な技術とスマート・ドライバ・ソリューションについて説明します。

エッジのインテリジェンスを高めるためには、電気機械アクチュエータ（EMA：Electromechanical Actuator）のようなデバイスをよりスマートなものにしなければなりません。それにより、マシンにおいて、より優れたリアルタイムの意思決定を行うことが可能になります。センサーと同じような機能も備えるスマートなEMAを実現すれば、スマートで価値のあるフィードバックを豊富に提供できるようになります。インダストリ4.0やその後の進化の鍵を握るのは、そのようなエッジ・デバイスです。よりスマートなEMAは、ロボットの制御に使われるだけでなく、工場のプロセス制御や自動化においても一役を担います。つまり、デジタルの情報を物理的な動きに変換するだけでなく、より高いレベルのインテリジェンスや自己認識の機能も提供します¹。一般に、アクチュエータは物体を操作するために使用されます。一方、センサーは現実の世界のパラメータを測定して定量化する役割を果たします。つまり、センサーは物理的な値をデジタルのデータに変換するためのものだと言えます。このような一般的な概念に基づき、アクチュエータとセンサーは全く異なるデバイス／コンポーネントだと認識されてきました。

多くの場合、EMAの実体はステッパ・モータまたはソレノイドです。それらは、あらゆる工場の製造フロアや、車載システム、ラボラトリ・オートメーションなどで使用されています。ステッパ・モータとソレノイドの世界市場は数十億米ドルの規模で成長を続けています。その市場は、ラボ用アプリケーション、医療用アプリケーション、産業用アプリケーション、車載アプリケーションによって牽引されています。そうしたアプリケーション分野では、より高度な自動化や、アクチュエータとドライバ（アクチュエータの駆動用エレクトロニクス）の小型化に注目が集まっています。従来のドライバ・ソリューションは、こうした新たなニーズには合致していません。特に、センシングの機能が不足している点が問題になります。

cDriver^™は、シリコンをベースとする最新のソリューションです。このソリューションは、スマートなコントローラとドライバで構成されています。EMAの制御機能とセンサーと同様の機能が単一のコンポーネントに統合されており、組み込みモーション・コントロールのソリューション内で使用できるようになっています。そのため、エッジ向けのインテリジェントなEMAを実現することができます^2、3。システムのパラメータや状態変数の中には、EMAの内部でしか直接利用できないものがあります（例えば、温度、ソレノイドの反応時間、モータの負荷の値など）。あるいは、EMAが配備されているその場でしか直接利用できないものも存在します。cDriverを採用すれば、そうしたシステムのパラメータや状態変数を適切な場所で測定／評価することが可能になります。

このようにEMAの制御機能とセンサー機能を融合すれば、EMAにはパラダイム・シフトがもたらされます。そうしたEMAは、単純な電力変換システムから自己認識型のセンサーへと進化します。また、EMAを完全に制御しつつ、その場で取得したデータを上位の制御レベル、クラウド、あるいはAIによって生産性の向上を実現するソリューションに提供することが可能になります。このように、EMAがセンサーとしても機能するようになれば、大きなメリットが得られます。

現在、市場では様々なドライバICを入手することができます。ただ、それらはソレノイドの駆動や、効率的で経済的な実装を実現できるよう最適化されているとは限りません。例えば、組み込み型の制御用シーケンサ、アプリケーション固有の機能、診断機能、保護機能などが欠如しているケースが多いでしょう。高度な制御機能（ドライバ用のシーケンサ、ディザリング、高速消磁、電流測定）や高度な診断機能（プランジャの移動の検出⁴、オン／オフの状態の検出、インダクタンスの測定、オープン負荷の検出）が必要な場合には、次善の策となる回路を追加したりする必要があります。結果としてシステムの複雑さが大幅に増大します^{5、6、7、8}。設計者は、1つ1つのブロック（デジタル・コントローラ、電流検出回路、シグナル・コンディショニング回路、出力段、保護用回路）を設計し、それらを相互に接続します。その際には、筐体／基板上の実装スペース、設計期間の長期化、アプリケーションの信頼性の低下、部品点数（BOM：Bill Of Material）の増加、柔軟性の欠如といった多くの課題に対応しなければなりません。

以下では、EMA用の組み込みコントローラ／ドライバに対する新たな要件やニーズにつながる世界的なトレンドについて確認することにしましょう。

EMAを長期にわたって動作させると劣化が生じやすくなります。また、電気的な問題（コイルの不具合、コイルの残留電力、過熱、絶縁不良など）や機械的な問題（バルブの部分的な閉鎖や開放、マニュアル・オーバーライド、圧力の差の影響、汚れの付着、バルブ機構の損傷、グリースの乾燥など）によって障害が発生する可能性もあります。これらの課題は、EMAまたはそれを使用するシステムの性能、寿命、稼働率に影響を及ぼします。このことが理由となって、デジタル化に関連する極めて重要な要求が生じています。アクチュエータとそれを制御する電子回路の健全性を監視する機能が求められているのです。具体的には、ローカルのシステムのパラメータに関する詳細かつ正確な診断情報をフィードバックする仕組みが必要とされています。それにより、エッジから上位の制御レベルに、未処理のデータや前処理を施したデータの形で診断情報を伝達できるようにしたいということです。そうすれば、ローカルのマシンのレベルで、変化に対応するためのより適切な判断が行えるようになります。ドライバからの単純なエラー・フラグと比べてはるかに価値の高いフィードバック情報を生成し、診断を実施できるようにすることが求められています。

温室効果ガスの排出量の削減に向けて、カーボン・フットプリントという指標が大きな役割を果たすようになりました。エネルギー効率については、世界的な環境政策、コスト、アプリケーションの制約によって左右されるという側面があります。エネルギーは、世界で最も貴重な資源の1つであり、それに関連するコストは上昇し続けています。このような背景から、アクチュエータの消費電力についても、最適な制御によって最小限に抑えなければならないことは明らかです。そうすれば、副作用として別の好影響がもたらされます。その副作用とは、消費電力を効果的に制御することにより、アプリケーションにおいてソレノイドやステッパ・モータが低い温度に保たれるというものです。結果として、システムを冷却するための負担が軽減されます。加えて、温度の影響を受けやすいラボ用アプリケーションなど、温度に対する要件が厳しい特定の用途でも問題なくEMAを使用できるようになります。

システムが複雑化している一方で、製品を市場に投入するまでにかかる時間（TTM：Time to Market）については更なる短縮が求められています。この問題に対処する上では、高度に統合されており、実績があり、すぐに使用できるビルディング・ブロックやサブシステムが役に立ちます。それらを利用すれば、全体の複雑さを軽減したり、複雑さが表に現れないようにしたりすることが可能になります。それだけでなく、設計上のリスクを軽減し、TTMや開発サイクルを妥当なレベルに維持することができます⁹。システム設計においては、通信インターフェースと、ソフトウェア中心の視点がますます重要になっています。そのため、アクティブなシステム・コンポーネントやビルディング・ブロックを選択する際には、通信インターフェースや制御インターフェースの柔軟性と機能に注目する必要があります。

製品のライフサイクル全体に関連する総コストは、一般に総所有コスト（TCO：Total Cost of Ownership）と呼ばれています。TCOに含まれるのは、開発費やその他の非反復エンジニアリング・コストだけではありません。エネルギー（エネルギー効率）、保守、稼働率、サプライ・チェーンにおけるリスクなどに関連する直接的／間接的なコストが含まれます。エネルギーに関するコストは直接的に測定／算出することが可能です。一方、保守コストは事前に見積もることができます。産業分野や医療分野など、製品の寿命が長い市場セグメントでは、TCOを考慮し、それを最小限に抑える必要があります。

ここまで、様々な世界的なトレンドを紹介してきました。それらを踏まえると、EMA向けのcDriverのような製品にはセンサーに似た機能が必要であることがわかります。実際、そうした機能を備えるマルチチップのソリューションやモノリシックのチップ・レベルのソリューションが続々と登場しています。一般に、その種のドライバ製品は、アナログのドライバ機能だけではなく、センシング機能や、強化されたデジタル機能、意思決定機能、通信インターフェースなども備えています。アクチュエータとセンサーの機能が融合されることにより、多くのニーズが満たされます。言い換えれば、ソレノイドやステッパ・モータをベースとするアプリケーションに様々なメリットがもたらされるということです。

ソレノイドの反応時間／移動時間を測定する機能や、電流の局所的な低下を検出する機能は、消費電力の削減に役立ちます。目標とする電流値やスルー・レートといった制御用のパラメータを調整し、反応時間／移動時間を最適化することが可能になるからです。また、あらかじめ設定された静的なヒット時間のウィンドウを使用するのではなく、最適な時点でヒット電流からホールド電流への切り替えを自動的に実行することも可能です。つまり、ソレノイドのコイルに供給される無駄なエネルギーを節約できるということです。その結果、ソレノイドのユニットの効率が更に向上します。特に、ホールド状態が機械的な方法（バネなど）で維持されるバイステーブル・パルス・ソレノイド・バルブ（ラッチ・バルブ）では大きな効果が得られます。その場合、ホールド電流はゼロとなり、励磁ヒット電流だけがトータルの消費電力に影響を及ぼすことになります。

ステッパ・モータのアプリケーションでは、負荷の値を取得するStallGuardだけでなく、ADI TrinamicのCoolStepも利用できます^14、15。このことは、エネルギーの大幅な節約につながります。CoolStepを利用すれば、モータ・シャフトの実際の負荷を考慮し、電流のレベルをセンサーレスで動的に制御できます。シャフトの負荷が軽い場合、モータに対して公称値どおりの目標電流を供給する必要はありません。その目標電流の値を必要最小限に抑えるように調整しても構わないということです。同様に、負荷が増大する場合にも、目標電流の値を調整してモータのトルクを高めることができます。また、ピーク負荷も捕捉可能です。そのため、モータに損傷を与えることなく、一時的に目標電流を公称値以上に増加させることもできます。このような制御を行えば、ステッパ・モータを駆動する際の電流量を最小限に抑えられます。その結果、モータが消費する電力を最大90%削減することが可能になります。

このようにしてエネルギー効率を改善すると、発熱や熱ストレスも低減されます。そうすれば、ソレノイド・バルブ¹⁶やステッパ・モータの寿命を延ばすことができ、信頼性と機能の可用性が向上します。EMAを低温に保つことができれば、適用可能なアプリケーションの幅が広がります。例えば、ラボ、化学、医療など、温度が上限値に達しないよう適切に制御する必要がある分野もターゲットになり得るということです。

cDriverは、インターフェースを中心とするアーキテクチャを採用しています。双方向性を備えるインターフェースを活用することで、cDriverの内部で利用可能なセンサーのデータやパラメータの取得、アプリケーションに応じた制御パラメータの設定／適応を実現できます。cDriver自体はサブシステムです。ソレノイド／ステッパ・モータの制御にすぐに使用でき、様々な構成が可能なハイエンドのビルディング・ブロックとして機能します。ソレノイド／ステッパ・モータを対象とするソフトウェアの開発は基本的には不要であり、必要な場合でも最小限に抑えられます。つまり、ソレノイドやステッパ・モータの制御の専門家が担当しなくてもよいということです。言い換えれば、アプリケーションに固有の機能や通信機能に重点を置いて開発を進められます。通信を中核に据え、インターフェースに重点を置くという考え方により、ソフトウェア定義型のハードウェアが実現されました。このことは、システム設計者やソフトウェア技術者だけにメリットをもたらすわけではありません。TTMを短縮し、設計リスクを最小限に抑えることにもつながります。

ここまでに説明したとおり、cDriverは高度に統合されたスマートなコンポーネントです。これを採用すれば、TCOの削減も図れます。エネルギー・コスト、保守コスト、リスクを軽減するための計画外のコストという3つの方向からの効果が見込めます。

エネルギー効率を高めて消費電力を削減する機能は、運用コストに直接影響を与えます。消費電力の削減はコストの削減につながるということです。

多様な診断データとセンサー機能によるフィードバック情報を利用すれば、予知保全を実現できます。障害の発生個所を容易に特定できるので、計画外の保守コストを削減し、保守のプロセスを簡素化することが可能になります。EMAのサブシステムから継続的にストリーミングされるフォードバック情報は、システムの状態監視に役立ちます。そのことは、稼働率の向上につながります。製造ラインのダウンタイムを削減できるということは、追加コストの発生を回避できるということを意味します。

cDriverは、様々な機能を備える集積度の高いコンポーネントです。これを採用すれば、部品点数を大幅に削減することができます。これは決して見逃すことができない極めて大きな長所です。これによって得られるメリットは、単に部品コストを削減できるということにはとどまりません。貿易摩擦やその他の世界的な出来事が原因となって、グローバルなサプライ・チェーンには綻びが生じています。また、工場のキャパシティの低下や、半導体／電子部品の不足によって、製品を製造／出荷する能力にも支障が生じています。こうしたことは、リスクではなく、既に生じている現実の問題です。部品点数を削減すれば、他社に対する依存度を下げられます。加えて、コントローラ／ドライバの予期せぬ再設計とその後の再適格性確認によって発生する膨大な負荷を回避することにつながります。

cDriverは、センサーとアクチュエータの融合を実現するコンポーネントです。これを採用すれば、エッジに適したスマートなEMAを利用できるようになります。cDriver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ために開発されたものではありません。多様な診断機能を提供することに加え、cDriver自体が一種のセンサーとして機能します。そのため、前処理を適用済みのデータを使ってローカルで意思決定を行い、安全機能や監視機能を実行することができます。このようなセンサー機能を備えたスマートなEMAは、機械的な課題を解決し、複雑さを覆い隠します。また、数多くの診断機能を提供すると共に、より高度な処理を行うための豊富な情報を上位の制御レイヤに伝達します。更に、コストと消費電力の削減を図れることから、将来のサイバーフィジカル・システムや製造フロアに対して新たな付加価値がもたらされます。cDriverは新たなレベルのデジタル化を提供するものであり、エッジにおけるEMAの制御に関するパラダイム・シフトを実現します。ドイツのMEV Elektronik Serviceは、モーション・コントロールに関する高度な専門知識を有するディストリビュータです。デザインインのサポートの面でも定評があります。同社でモーション・コントロール分野のプロダクト・ライン・マネージャを務めるGuido Gandolfo氏は、「アナログ・デバイセズは、ステッパ・モータ用のドライバの新たな製品ファミリを提供しています。それらを採用した当社のお客様は、より小型で、よりスマートな製品を、より迅速に、より高い効率で開発できるようになります。ADI Trinamicのドライバは最高レベルの製品ですが、お客様にもたらされるメリットよって、その地位は更に高まることになるでしょう」と述べています。