はじめに

サーボ ライブはサーボ モーターに動力を供給し、サーボドライブ コントローラによって設定された速度とトルクを維持します。サーボモーターは回転磁界を発生させる3相交流電圧を動力源としています。コントローラはサーボドライブにモーターの回転速度と回転方向を指示します。モーターにはエンコーダが搭載されており、モーターの実際の速度と位置を検知してサーボドライブにフィードバックし、サーボドライブは速度と位置データを継続的に調整することができます。サーボドライブ内のアナログ-デジタル コンバータ（ADC）のユースケースは以下の通りです：

1. 電流センサの出力の測定
2. PLCまたはモーション コントローラからのアナログ制御入力
3. インクリメンタルsin/cosエンコーダからのSin/Cos信号の補間

電流センサ出力の測定

サーボドライブ内には、電源からのDC電圧を取り込み、パルス幅変調器（PWM）を介してAC電圧に変換する内部3相インバータが搭載されています。PWMのデューティ サイクルは、モーターに印加される電流/トルクを制御します。デューティ サイクルが0%に近いとき、電流/トルクは最小になります。デューティ サイクルが100%に近いとき、電流/トルクは最大になります。PWMはデューティ サイクルを連続的に変化させ、正弦波AC信号を生成します。このAC信号は、モーターに電力を供給し、回転させます。プロセッサは、この電流測定値を使用してPWMデューティ サイクルを更新します。図 2に示すように、電流センサとADCを組み合わせて電流を測定し、アナログ出力をデジタル出力に変換して、プロセッサへ送信します。

LEM電流センサ、VAC電流センサ、ホール効果電流センサ、電流センスアンプなど、TIが提供している TMCS1123、 AMC1300 および INA241A など、多様なタイプの電流センサがあります。これらの電流センサの出力はアナログであるため、プロセッサが読み取りを行うにはADCでデジタル化する必要があります。電流センサは、差動、疑似差動、シングルエンドなど、さまざまな出力形式に対応しています。このような出力タイプでは、アナログ回路がシングルエンド信号に変換する必要があり、擬似差動/差動入力を備えたADCを使いやすくなっています。ADS8350、 ADS7850、 ADS7250、および ADS704x/ADS705x ファミリは、差動および疑似差動入力を備えた複数のデバイスを提供します。ADCの入力範囲も重要で、電流センサの出力範囲と一致させることができます。LEMセンサのような一部のセンサでは、-10V ～ 10Vの出力を出力することがあります。ADS8681 にはPGAが内蔵されているため、外付け部品なしでこの電圧を直接取り込むことができます。表 1 複数の入力範囲と電圧に対応したいくつかのADCを使用して詳細を説明します。

アナログ I/O

PLCやモーション コントローラのようなコントローラは、アナログまたはデジタル出力を使用してサーボドライブと通信ができます。アナログ制御は、レガシーシステムや低コストシステムで多く活用されています。コントローラは一般的に±10Vの出力を供給できます。読み取るには、これらのアナログ入力をデジタルに変換して、サーボドライブ上のプロセッサが読み取りを実行する必要があります。これに該当する場合、ADCが必要です。ADCは、PLCからの出力を確実に読み取れるように、広い入力電圧範囲を持つ必要があります。図 3 に、回路形式でADCを使用する方法の例を示し、 表 2 に示すデバイスの入力範囲はすべて±10Vです。

サーボ ドライブ位置フィードバック

モーターのエンコーダを使用して、モーターの実際の速度と位置を検出します。エンコーダは、この情報を電圧信号として読み取り、サーボドライブに送り返して、モーターの速度または位置制御を行います。エンコーダが出力するアナログ信号は1V_PP の正弦/余弦信号であるため、 図 4に示すように、2チャネルのアンプと2チャネルのADCが適切な設計になります。プロセッサは、ADCのデジタル出力を使用してモータの速度と位置を判定するため、ADCの分解能は必要不可欠な仕様です。標準的なエンコーダの帯域幅は500kHzで、モーターを高速に使用するアプリケーションでは、エンコーダからの正弦信号または余弦信号の帯域幅をより高くすることができます。平均化することでノイズ性能を改善できるため、ADCサンプリング レートが高いことは重要です。平均化を行うと、係数2ごとに信号対雑音比（SNR）が約3dB向上します。表 3には、エンコーダ フィードバック信号チェーンに必要な仕様を満たすアンプとADCのペアが存在します。

まとめ

サーボドライブは、多様なユース ケースでADCを必要としています。ADCは、電源ライン上の電流センサの出力測定、PLCのアナログ出力のデジタル化、エンコーダが受信したアナログデータのデジタル変換に使用できます。TIは、このような測定を実現するデバイスの強力な製品ラインアップを提供しています。サーボドライブの詳細については、以下の記事をご覧ください。

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製品概要については、『モーター エンコーダおよび位置検出用高精度 ADC』をご覧ください