| はじめに 3 |
| 第1部 基礎編 |
| 第1章 モータの分類から回転のしくみまで ACサーボ・モータの基礎 11 |
| 1 本書での重点課題 11 |
| 2 本書で扱うACサーボ・モータ 12 |
| 2-1 代表的なACサーボ・モータ 12 |
| 2-2 ACサーボ・モータの内部構造 13 |
| 2-3 ACサーボ・モータの用途 13 |
| 精密な位置決めが必要な用途に適する |
| 精密ステージ |
| 産業ロボット |
| ヒユーマノイド・ロボット |
| 3 モータのおさらい 15 |
| 3-1 DCモータの基本構造 15 |
| 3-2 DCモータの回転原理 16 |
| 3-3 ブラシレス・モータの基本構造 16 |
| 3-4 ブラシレス・モータの回転原理 18 |
| 4 モータの分類とACサーボ・モータの位置付け 20 |
| 4-1 ACサーボ・モータは回転型モータ 20 |
| 4-2 ACサーボ・モータはインバータ回路をもつ交流モータ 21 |
| 4-3 ACサーボ・モータは同期型モータ 21 |
| 4-4 ACサーボ・モータの特徴 21 |
| メリット |
| デメリット |
| 5 サーボとは 22 |
| 5-1 サーボ機構とサーボ・モータ 22 |
| 5-2 DCサーボ・モータ 22 |
| コアレスDCモータの特徴 |
| 5-3 ラジコン・サーボ 23 |
| 5-4 位置検出機構 24 |
| 磁気式エンコーダ |
| 光学式エンコーダ |
| レゾルバ方式 |
| 5-5 ACサーボ・モータのシステム構成 26 |
| 上位コントローラ |
| サーボ・アンプ |
| ACサーボ・モータ |
| 第2章 モータに働く力と速度/位置制御の方法 ACサーボ・モータのしくみと特徴 27 |
| 1 回転力を発生するメカニズム 27 |
| 1-1 磁石のおさらい 27 |
| 1-2 実際のモータでは 27 |
| 1-3 モータの復元力と安定点 30 |
| 2 回転力からステッピング駆動へ 30 |
| 2-1 回転磁界を作る方法 31 |
| 2-2 連続的に回転させる 32 |
| 2-3 位置決め機構の特徴 32 |
| 2-4 位置を制御する 32 |
| 2-5 速度を制御する 33 |
| 3 ブラシレスDCモータ駆動 33 |
| 3-1 モータが止まらないようにする 34 |
| 3-2 脱調はしない 34 |
| 3-3 ロータ位置を調べる 34 |
| ホール素子もしくはホールICを使う方法 |
| 誘導起電力を利用する方法（センサレス方式） |
| 3-4 速度を制御する 35 |
| 3-5 位置を制御する 36 |
| 4 ACモータ駆動(正弦波駆動) 37 |
| 4-1 ACサーボ・モータ駆動（正弦波駆動）の電流配分 37 |
| 4-2 ACサーボ・モータ駆動（正弦波駆動）のロータ位置検出 38 |
| ホール・センサとインクリメンタル・エンコーダを使う方法 |
| レゾルバによる絶対値エンコーダを使う方法 |
| 4-3 高回転／高効率のモータ駆動が容易に実現できるブラシレスDCモータ駆動 39 |
| ロータ位置によって強制的に電流の相を切り替える |
| 矩形波電圧駆動でもモータ電流は連続的に流れる |
| 4-4 高回転／高効率のモータ駆動が非常に難しいACサーボ・モータ駆動 40 |
| モータは電流で動作する |
| トルク制御が必要 |
| 定電流制御によるトルク制御の方法 |
| ベクトル制御によるトルク制御の方法 |
| 5 正弦波駆動によるマイクロステップ駆動 42 |
| 5-1 3相正弦波駆動においても安定点がある 42 |
| 5-2 ロータのステップ角が正確に刻めるわけではない 43 |
| 5-3 モータの振動を抑える効果がある 43 |
| 6 ブラシDCモータ 43 |
| 第3章 DCモータ，ブラシレスDCモータおよびACサーボ・モータを例にして モータ駆動回路の基礎 45 |
| 1 モータ駆動における基礎知識 45 |
| 1-1 力とトルクの関係 45 |
| 1-2 トルクとパワーの関係 46 |
| 1-3 モータ駆動における4象限動作 46 |
| 1象限動作 |
| 2象限動作 |
| 3象限動作 |
| 4象限動作 |
| 1-4 DCモータの等価回路 47 |
| 抵抗R |
| インダクタンスL |
| 誘導起電力em |
| モータ電圧VM |
| 1-5 DCモータの回転数が電圧で制御できる理由 48 |
| 1-6 リニア・アンプ駆動とPWMアンプ駆動 49 |
| ゲート電圧 |
| モータ電流 |
| MOSFETに加わる電圧 |
| MOSFETの消費電力 |
| リニア・アンプ駆動とPWMアンプ駆動の特徴 |
| 2 モータのPWM駆動方法 51 |
| 2-1 ブリッジPWM駆動のMOSFETゲート・ドライブ回路例 52 |
| ハイ・サイドにPチャネルMOSFETを使えばフローティング電源は要らない |
| PWM駆動はロー・サイド側MOSFETだけ |
| 貫通電流に注意が必要 |
| 2-2 ブリッジPWM駆動方法の特徴 53 |
| 正転/逆転が可能 |
| フリーホイール電流はハイ・サイド側のローカル電流となる |
| モータ動作の4象限動作のうち2象限動作と4象限動作には対応できない |
| 位置制御向きの駆動方法ではない |
| 2-3 リニアPWM駆動のMOSFETゲート・ドライブ回路例 55 |
| フローティング電源は必要 |
| MOSFETゲート・ドライバIR2106Sの特徴 |
| ブートストラップ電源とは |
| ブートストラップ電源の設計法 |
| ハイ・サイド側MOSFET，ロー・サイド側MOSFETともにPWM駆動する |
| 2-4 リニアPWM駆動方法の特徴 57 |
| フリーホイール電流はハイ・サイド側およびロー・サイド側のローカル電流となる |
| モータ動作の4象限動作すべてに対応できる |
| 位置，速度，トルク制御，すべての制御方式に適用できる |
| 3 PWM駆動におけるモータ電流の検出方法 59 |
| 3-1 モータのラインを直接測定する方法（A方式） 59 |
| 最も正確な電流が測定できる |
| 測定は難しい |
| 3-2 ロー・サイドMOSFETのソースとGNDの電流を測定する方法（B方式） 60 |
| 測定電流の加工が必要 |
| 測定はやさしい |
| 3-3 電源電流を測定する方法（C方式） 60 |
| モータ電流を求めるのは困難 |
| 3-4 モータ電流測定回路例（A方式） 60 |
| 第4章 サーボ・コントローラの設計を行うために モータ制御の基礎 61 |
| 1 モータ制御における基礎知識 61 |
| 1-1 ラプラス変換とは 61 |
| 1-2 伝達関数とは 62 |
| 1-3 ブロック線図とは 62 |
| 1-4 モータの伝達関数 63 |
| 慣性モーメント（inertia）によるトルクTi |
| 摩擦によるトルクTd |
| 軸のねじれトルクTc |
| モータの伝達関数 |
| 1-5 トルク制御アンプの伝達関数 64 |
| アンプ・ゲインKa |
| トルク定数Kt |
| トルク制御アンプの時定数Ta |
| 1-6 センサの伝達関数 65 |
| 1-7 モータ駆動部の伝達関数 65 |
| 2 サーボ・コントローラの役割 66 |
| 2-1 位置制御の動作原理 66 |
| モータの基本特性 |
| PIDコントローラ |
| オープン・ループ特性 |
| 2-2 速度制御の動作原理 67 |
| 3 ディジタル信号処理の基礎知識 67 |
| 3-1 遅延素子1/Zについて 67 |
| 3-2 連続系伝達関数と離散系伝達関数 67 |
| 3-3 ディジタル・フィルタの設計手法 68 |
| 4 ディジタル・フィルタ設計支援ソフトウェア(DSP.EXE) 70 |
| 4-1 アナログ・フィルタ設計 70 |
| アナログLPFの設計（w1） |
| アナログ・ノッチ・フィルタの設計（w2） |
| 4-2 アナログ・フィルタ周波数特性を解析（c3） 71 |
| 4-3 s-z変換（c4） 72 |
| 4-4 ディジタル・フィルタ周波数特性を解析（c5） 72 |
| 4-5 ディジタル・フィルタ・パラメータ係数の保存（c6） 72 |
| 4-6 ディジタルPIDコントローラの設計（w7） 73 |
| 4-7 ディジタル位置速度ループ・コントローラの設計（w8） 73 |
| 5 フィルタ設計の特徴をつかむ 74 |
| 5-1 2次LPFの特徴 74 |
| 5-2 2次ノッチ・フィルタの特徴 75 |
| 振幅パラメータのみを変更 |
| 減衰係数パラメータのみを変更 |
| 5-3 PIDコントローラの特徴 75 |
| 比例ゲインKpのみを変更 |
| 積分ゲインKiのみを変更 |
| 微分ゲインKdのみを変更 |
| PIDコントローラの特徴 |
| 5-4 位置速度ループ・コントローラの特徴 76 |
| 位置比例ゲインKppのみを変更 |
| 速度比例ゲインKpvのみを変更 |
| 速度積分ゲインKidのみを変更 |
| 位置速度ループ・コントローラの特徴 |
| 6 サーボ・コントローラのシステム設計 78 |
| 6-1 サーボ・コントローラの構成 78 |
| 6-2 目標軌跡生成器 78 |
| 6-3 システム・ディレイ 79 |
| 6-4 フィードバック制御器 79 |
| 6-5 フィードフォワード制御器 79 |
| ブロック線図 |
| 伝達関数表記では |
| 6-6 出力フィルタ 80 |
| 第2部 応用編 |
| 第5章 H8マイコンとCPLDで構成する マイコンによるACサーボ・モータ制御の基礎 81 |
| 1 H8S/2367FとCoolRunnerIIのおもな特徴 81 |
| 1-1 16ビット高速H8S/2000 CPU 81 |
| 1-2 豊富な周辺機能 81 |
| 1-3 CoolRunnerⅡ（XC2C256）のおもな特徴 82 |
| 2 マイコンの応用方法 82 |
| 2-1 PWM信号の作成方法 82 |
| PWMの墓本動作 |
| デューティ・レジスタの更新には注意が必要 |
| デューティ・レジスタの更新はPWM周期と同期を取る |
| PWMデユーティ値には最大値/最小値を規定する |
| 2-2 DMAの利用方法 84 |
| 最優先のデータ転送にはDMAを使う |
| DMAの起動要因には制限がある |
| 2-3 DTCの利用方法 84 |
| DTCはすべてのユニットの割り込みから起動可能 |
| DTCは最大85チャネルのデータ転送が可能 |
| DTC動作タイミング |
| DMAとの相違 |
| 2-4 ループ演算用タイム・ベースの作成方法 85 |
| 電流ループ用タイム・ベース |
| サーボ・ルーフ用タイム・ベース |
| 2-5 割り込みコントローラ（INTCR）の利用方法 85 |
| DMAとDTCは割り込みコントローラの優先順位の影響を受けない |
| サーボ・ループ演算は周期が狂わないように配慮する |
| 2-6 インクリメンタル・カウンタの作成方法 89 |
| 2-7 シリアル・コミユニケーション・インターフエース（SCI）の利用方法 89 |
| SCIの送受信処理はDMAに任せる |
| SCIの受信エラー処理には注意が必要 |
| SCIの受信エラー処理例 |
| 3 PLDの使用方法 91 |
| 3-1 CPLDとFPGA 91 |
| B-2 CPLDの設計ツール 91 |
| 3-3 設計上の注意点 91 |
| 4 ACサーボ・モータ制御回路のシステム設計 92 |
| 4-1 設計目標 92 |
| 4-2 3相正弦波PWM駆動 92 |
| 4-3 インクリメンタル・カウンタ 92 |
| 4-4 PWM周波数 92 |
| 4-5 電流ループ周波数 92 |
| 4-6 サーボ・ループ周波数 94 |
| 4-7 モータ電流検出周波数 95 |
| 第6章 ACサーボ・モータを駆動する 3相PWM制御回路の実際 97 |
| 1 設計仕様 97 |
| 1-1 制御部の仕様 97 |
| 1-2 駆動部の仕様 97 |
| 2 使用部品および回路の選定 97 |
| 2-1 MOSFETの選定 97 |
| ソースードレイン耐圧（VDSS） |
| ドレイン電流（ID） |
| 入力容量（Ciss）および帰還容量（Crss） |
| 逆回復日寺間（trr） |
| 2-2 MOSFETゲート・ドライブ回路 99 |
| ブートストラップ電源動作 |
| 入力レベルはTTL |
| デッド・タイムは500ns |
| 2-3 モータ電流検出回路 99 |
| 電流検出範囲は±6.5A |
| オフセット補正は必須 |
| ゲイン補正は必須 |
| 3 ACサーボ・モータ駆動ハードウェアの回路 100 |
| 3-1 マイコン内蔵TPUを使った3相PWMの生成方法 101 |
| 3-2 ノンオーバラップのPWM信号 101 |
| 3-3 モータ電流検出用タイマ回路（CPLD） 102 |
| 3-4 ロータ位置検出回路（CPLD） 103 |
| インクリメンタル・エンコーダの出力信号 |
| モータ回転方向の判別回路 |
| ロータ位置カウンタ |
| ロータ原点検出回路 |
| 4 ベクトル制御の基礎知識 105 |
| 4-1 シミュレーションのパラメータ 105 |
| 制御パラメータ |
| モータ・パラメータ |
| 4-2 モータ電流3相（U，V，W）の波形 107 |
| 4-3 モータ電流の3相（U，V，W）→2相（α,β）変換 107 |
| 4-4 モータ電流の2相（α，β）→d-q変換 108 |
| q（トルク）成分の分離抽出 |
| d（界磁）成分の分離抽出 |
| 2相（α,β）→d-q変換のベクトル図 |
| 4-5 PI（比例・積分）制御器 109 |
| 4-6 PI制御器d-q→α′β′変換 110 |
| PI制御御器d-q→α′変換 |
| PI制御御器d-q→β′変換 |
| 4-7 2相（α′，β′）→3相（U，V，W）変換 111 |
| 5 マイコンによるベクトル制御の実践 112 |
| 5-1 ロータ位置を算出し，sinおよびcos値をLUTから取得 112 |
| 5-2 U相およびV相のモータ電流値の読み込み，オフセット補正，ゲイン補正 114 |
| 5-3 モータ電流に対して，α-β変換を行い，さらにd-q変換を行う 115 |
| 5-4 PI（比例・積分）制御器 116 |
| 5-5 PI制御器d-q→2相（α'，β'）→3相（U，V，W）変換 119 |
| 5-6 3相（U，V，W）→PWM変換 119 |
| 5-7 さまざまなモータに対応させる 122 |
| コラム■転流角オフセット 113 |
| 第7章 マイコンで制御するために ソフトウェアによるサーボ・コントローラの設計 123 |
| 1 サーボ・コントローラの構成 123 |
| 1-1 エンコーダ・カウンタを読み込んで位置と速度を算出する 123 |
| エンコーダ・カウンタの読み込みは最初に行う |
| 1-2 フィードバック（PIDもしくは位置速度ループ）の計算 124 |
| 浮動小数点について |
| フィードバックの係数配列について |
| 速度制御時の単位について |
| 1-3 フィードフォワード＆出力フィルタ 126 |
| 出力フィルタの係数配列について |
| 1-4 サーボ出力（トルク指令）処理 127 |
| 1-5 基準値の生成 128 |
| 2 フィードバック制御器 128 |
| 2-1 PIDコントローラ演算ルーチン 128 |
| 伝達関数表記 |
| ソフトウェア・リスト |
| 2-2 位置速度ループ・コントローラ演算ルーチン 130 |
| ソフトウェア |
| 3 IIRディジタル・フィルタ演算ルーチン 131 |
| 4 フィードフォワード演算ルーチン 133 |
| 5 目標軌跡生成器 134 |
| 5-1 目標軌跡生成に関する基礎知識 134 |
| 単位系 |
| 一定加速度による目標軌跡の生成 |
| 積分計算とは |
| 5-2 目標位置軌跡の生成手法 135 |
| 位置軌跡計算 |
| 5-3 目標速度軌跡の生成手法 136 |
| 速度軌跡計算 |
| 第8章 浮動小数点の演算を高速化する アセンブリ言語によるサーボ・コントローラの高速化 139 |
| 1 IEEE準拠単精度浮動小数点 139 |
| 1-1 単精度浮動小数点のビット配置 139 |
| 1-2 単精度浮動小数点の表現方法 139 |
| 単精度浮動小数点の表現例 |
| 2 16ビット精度浮動小数点 141 |
| 2-1 16ビット精度浮動小数点のビット配置 141 |
| 2-2 16ビット精度浮動小数点の表現方法 141 |
| 2-3 16ビット精度浮動小数点の計算精度 142 |
| 2-4 16ビット精度浮動小数点の演算ルーチン 143 |
| FADD16（浮動小数点の加算） |
| FSUBI6（浮動小数点の減算） |
| FDIV16（浮動小数点の除算） |
| FMUL16（浮動小数点の乗算） |
| FTOl16（浮動小数点から整数への変換） |
| ITOF16（整数から浮動小数点への変換） |
| ITOFB2（long整数から浮動小数点への変換） |
| FSQRT16（浮動小数点の平方根） |
| FTOF16（単精度浮動小数点から16ビット浮動小数点への変換） |
| FTOF24（16ビット浮動小数点から単精度浮動小数点への変換） |
| 3 PIDコントローラ 154 |
| 3-1 レジスタの使用方法 156 |
| 3-2 演算手順と実行時間 156 |
| 3-3 積分項にはリミットを設ける 156 |
| 4 位置速度ループ・コントローラ 157 |
| 4-1 レジスタの使用方法 157 |
| 4-2 演算手順と実行時間 159 |
| 4-3 積分項にはリミットを設ける 160 |
| 5 IIRディジタル・フィルタ 160 |
| 5-1 レジスタとローカル変数の使用方法 162 |
| 5-2 演算手順と実行時間 163 |
| 第9章 ACサーボ・モータの制御実験―リニア・ステージのコントロールを例として 165 |
| 1 モータ制御実験の設備 165 |
| 1-1 モータ制御ボード 166 |
| 1-2 使用するモータ 166 |
| 1-3 実験用の負荷 167 |
| 2 サーボ調整手法 168 |
| 2-1 サーボ調整に関わるパラメータ 168 |
| 2-2 サーボ・ロックの実現 168 |
| PIDパラメータ（サーボ・ゲイン）の初期値を決める |
| イナーシャ比 |
| 慣性モーメントの計算方法 |
| PIDパラメータ（サーボ・ゲイン）の補正 |
| 2-3 サーボ調整ツール 171 |
| 2-4 PIDパラメータの決定方法 171 |
| メカ（モータ＋負荷）特性の測定 |
| PIDパラメータの決定 |
| 2-5 加速度リミットと速度リミットの決定方法 172 |
| 最高回転数（速度リミット） |
| モータに与える角加速度（加速度リミット） |
| モータ・ドライバの単位に変換 |
| 2-6 ドライブ・リミット（トルク制御アンプの電流リミット）の決定方法 173 |
| 2-7 フィードフォワードの決定方法 173 |
| 2-8 ディジタル・フィルタ係数 173 |
| 3 モータ制御実験(PIDコントローラ) 174 |
| 3-1 微小送り位置決め性能 174 |
| フィードバック（PID）制御のみでの位置決め性能 |
| フィードバック（PID）制御フィードフォワード制御での位置決め性能 |
| フィードバック（PID）制御のみでのモータ電流特性 |
| フィードバック（PID）制御＋フィードフォワード制御でのモータ電流特性 |
| 3-2 高速送り応答性能 175 |
| 3-3 速度制御性能 176 |
| 速度制御のおさらい |
| 速度制御時のPIDパラメータ |
| 速度制御実験データ |
| 4 モータ制御実験(位置速度ループ・コントローラ) 177 |
| 4-1 位置速度ループ・コントローラは2重フィードバック・コントローラ 177 |
| 4-2 サーボ・ゲインの決定 177 |
| 4-3 オープン・ループ周波数特性 178 |
| 微小送り位置決め性能 |
| 高速送り応答性能 |
| 5 モータの出力電力 179 |
| 5-1 モータの回転数と出力電力の関係 180 |
| 5-2 モータは回転することが仕事 180 |
| Appendix USBインターフェースによる AC/DCサーボ・モータ・ドライバMCG02 181 |
| 用語解説 183 |
| 付属CD-ROMの内容と使用方法 194 |
| 参考・引用文献 196 |
| 索引 197 |
| 著者略歴 200 |
| はじめに 3 |
| 第1部 基礎編 |
| 第1章 モータの分類から回転のしくみまで ACサーボ・モータの基礎 11 |
| 1 本書での重点課題 11 |
| 2 本書で扱うACサーボ・モータ 12 |
| 2-1 代表的なACサーボ・モータ 12 |
