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モータとプランジャの予防保全に特化したリファレンス・デザイン 4選

どのような施設で稼働している機器にも、絶対故障しない機器はないですよね。万が一故障が起きた場合は、その時に修理すれば良いとお考えの方もいると思いますが、故障や不具合が起きてからでは、下記のようなデメリットが発生する可能性があります。

故障や不具合が起きてから修理する場合のデメリット
  • 長時間の稼働停止による生産性の低下が起きる
  • 修理用の部品調達に時間がかかる可能性がある
  • 不具合箇所から広範囲に不具合が起こる恐れがある
  • 修理をせずに無理な稼働をさせた場合、設備の耐用年数が短くなる

このようなデメリットを回避するには、機器の故障を事前に予防する「予防保全」という保全活動が重要です。

今回の記事はTexas Instruments(TI社)から無償提供されている、以下4つの予防保全に特化したリファレンス・デザインをご紹介します。

1. 予測メンテナンスが可能なスマート・ソレノイド・ドライバ

付加的なモニタ制御機能と診断機能を実装するソレノイド・ドライバのリファレンス・デザインです。ばねの緩み検出、バルブの経年劣化認識、ソレノイド電流のダイナミック制御を実現します。

この予知保全機能セットは、ファクトリ(工場)のダウンタイムの短縮や防止を可能にします。さらに、ソレノイド電流の制御機能は、電力消費低減とバルブ寿命の延長をサポートします。

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リファレンス・デザインから作成したボード例

特長

  • ソレノイド・ドライバ:MSP430™ の PWM 出力をベースとしており、さまざまなドライブ電流に合わせて PWM 出力を構成可能
  • 統合型 12 ビット ADC で電流シグネチャをキャプチャ
    • 電流シグネチャを MSP430 の FRAM に格納可能
    • ファームウェアに単一の処理機能を実装済み
    • 移動平均
    • ローカル極値の検出
  • UART または IO-link を通じて構成可能

対象アプリケーション例

  • Motor Overload Relays & Contactors
  • フィールド・アクチュエータ:モータ・バルブ
  • フィールド・アクチュエータ:空圧バルブ
  • 電気モータ・スタータおよびブレーキ

本デザインで使用されているTI製品

型  番 詳  細
MSP430FR5969 Wolverine ミックスド・シグナル・マイクロコントローラ
TIOL111 TIOL111 IO リンク・デバイス・トランシーバ、内蔵サージ保護付き

2. 予防保守を可能にする、ワイヤレス振動センサ使用モータ・モニタ

このリファレンス・デザインは、振動の検出を使用してモータを監視し、予防保守が必要かどうかを判断する低電力ワイヤレスサブシステムソリューションです。振動データのFFTは、Bluetooth低エネルギーまたは1GHz未満のワイヤレスプロトコルのいずれかを使用して別のデバイスに送信できます。

このサブシステム・ソリューションの低消費電力とワイヤレス機能により、単一のコイン・セル・バッテリーで動作させることができ、小型で安価で、手の届きにくい場所に置くことができます。これにより、予防的に回避できる高価なメンテナンスと、有線接続を必要とする大型で高価なモニタの両方に最適な代替手段となります。

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リファレンス・デザインから作成したボード例

特長

  • 単一のCR2032コイン型電池で10年のバッテリ寿命を実現する超低電力設計
  • 機械的振動(20ksps)と温度感知
  • 振動スペクトル解析のための2K FFTの局所計算
  • モータ診断のためのプログラム可能なウェークアップ間隔
  • SimpleLink sub-1GHzとBluetooth Low Energy Wireless Connectivity LaunchPad(LAUNCHXL-CC1350)用に設計

対象アプリケーション例

  • HVAC システム・コントローラ
  • HVAC モータ制御

本デザインで使用されているTI製品

型  番 詳  細
ADS8866 16ビット、1-MSPS、シリアル・インターフェイス、マイクロパワー、小型、差動入力、SAR
LMT01 LMT01 高精度 2 ピン温度センサ、パルス電流インターフェイス付き
OPA2325 Precision, 10-MHz, Low-Noise, Low-Power, RRIO, CMOS Operational Amplifier
REF5030 低雑音、微小ドリフト、高精度基準電圧
TPS22860 TPS22860 超低リーク・ロード・スイッチ
TPS61291 低 Iq 昇圧コンバータ、バイパス動作付き
LAUNCHXL-CC1350 ※ Simplelink CC1350 LaunchPad Bluetooth および 1 GHz 以下長距離無線、開発キット
※LAUNCHXL-CC1350の型番について
本製品はSub-1GHz帯域が国によって使用可能な帯域が異なるため、対応する帯域に応じてアンテナ周りの回路を変更した2種類の型番がございます。購入される場合は以下を参考に、お客様の判断でお選びください。

LAUNCHXL-CC1350US:アメリカ、日本向け
LAUNCHXL-CC1350EU:欧州向け

3. 可変速度ドライブのセーフ・トルク・オフ用の冗長化デュアル・チャネル

このデザインは デュアル・チャネル絶縁型 STO 信号を使用し、モータに電力を供給するインバータを制御することにより、IEC61800-5-2 に従って可変速度ドライブでセーフ・トルク・オフ(STO)機能を可能にします。
VCC1 と VCC2 のロード・スイッチを通じて、絶縁型ゲート・ドライバ IC への電力を独立した形でイネーブルまたはディセーブルにし、この機能が実現します。

また、このリファレンス・デザインは、さまざまな故障を検出する診断機能も搭載しており、安全側故障率の向上を可能にします。

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リファレンス・デザインから作成したボード例

特長

  • セーフ・トルク・オフ(STO)機能を実装し、IEC 61800-5-2 で規定されている Stop Category 0(停止カテゴリ 0)を実現
  • デュアル・チャネル STO 信号と、モータ内のトルク生成を防止する複数のオプション
    • ゲート・ドライバ IC からの電力供給を停止(低電圧と高電圧の両ドメイン)
    • マイコン内部の PWM 生成を終了させるためのハードウェア・トリップ信号の生成
  • 安全パルスの監視、回路内のさまざまな故障検出などを含む広範な自己診断機能
  • ±60V の入力許容値と逆極性保護機能により、故障発生時の STO ピンの確実な保護を可能に
  • ハイサイド・スマート・スイッチにより出力電流を高精度で監視
  • Ready(RDY)ピン・インジケーションにより、ゲート・ドライバの入力と出力の低電圧ロックアウト(UVLO)を検出

対象アプリケーション例

  • AC インバータおよび VF ドライブ
  • フィットネス機械
  • 製造ロボット
  • 電気歯ブラシ

本デザインで使用されているTI製品

型  番 詳  細
ISO1212 デジタル入力モジュール向け絶縁型 24V ~ 60V デジタル入力レシーバ
ISO5852S ISO5852S 高 CMTI 2.5A / 5A、絶縁型 IGBT、MOSFET ゲート・ドライバ、分割出力付
LMZ14201 1A SIMPLE SWITCHERR Power Module with 42V Maximum Input Voltage
SN74HC7001 クワッド 正論理 AND ゲート、シュミット・トリガ入力
TPS22860 TPS22860 超低リーク・ロード・スイッチ
TPS27S100 40V、100mΩ のシングル・チャネル・スマート・ハイサイド・スイッチ
TVS3300 33V 高精度サージ保護クランプ

4. プランジャ故障検出付、24V DC ソレノイド用 電流制御ドライバ

このデザインは、電流制御機能とプランジャ移動検出機能をソレノイド・コイルに集積するためのリファレンス・デザインです。

消費電力の最大 70% 低減、処理時間の高速化、監視機能の強化のほか、使いやすさも向上しており、こうしたメリットを産業機器や素材加工などのさまざまな用途で活用することが可能になります。

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リファレンス・デザインから作成したボード例

特長

  • PWM ベースの電流制御機能により、ピーク時とホールド時間中の消費電力の最適化が可能なほか、固定的な時間設定に基づく消費電力の最適化も可能
  • プランジャ移動検出機能により、逆起電力の利用か、ホール・センサをベースとしたオプション利用が可能
  • プランジャ移動の完了時に、ピークからホールド電流モードに自動的に切り替え
  • プランジャの異常動作、低電圧発生時や、コントローラの過熱検出時にアラーム信号を生成
  • EN55011-Class A の伝導性放射制限規格に準拠

対象アプリケーション例

  • ATM(現金自動支払い機)
  • HVAC バルブおよびアクチュエータ制御
  • POS レジ
  • 白物家電
  • ダクトレス・エアコン室外機
  • フィールド・アクチュエータ:モータ・バルブ

本デザインで使用されているTI製品

型  番 詳  細
DRV110 省電力ソレノイド・コントローラ、電源レギュレータを統合
DRV5023 DRV5023 デジタルスイッチ・ホール効果センサ
OPA4170 36V、超低消費電力、レール・ツー・レール出力、4 チャネル、汎用オペアンプ
TLV271 550 μA/チャネル 3 MHz レール・ツー・レール出力オペアンプ

TIの予防保全に関する資料はこちら

いかがでしたでしょうか。今回は予防保全に特化したリファレンス・デザインを4つご紹介しました。

TI社ではご紹介した以外にも、予防保全に関する資料をご用意しています。
ご興味がございましたら、こちらもご覧ください。

Making factories smarter, more productive through predictive maintenance(英語資料)
SimpleLink™ MSP432™ マイクロコントローラを使った予測メンテナンスのための高精度ADC活用(英語資料)
電流の測定による異常の検出

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