高信頼モータードライバインターフェース

特許

冗長化と高信頼化

冗長設計の本質は、他に比べて故障率の高い部分を多重化することにより同時に故障す る確率を下げ、信頼性を向上させる ことにあります。利便性なども含んで冗長化の費用 が故障により発生する費用より少なければ冗長系を採用する価値があります。また、外 乱への耐性向上や故障の検知を併せてシステムの信頼性を向上させ、人的物的被害を避 け、ひいては会社とその製品に対する顧客の信頼を維持、向上させ、 長期的な利益の向上 にも繋がります。 また、故障検知系そのものの誤作動や故障による異常停止・誤制御を防ぐ観点から、 故障検知系の本質的な信頼性 も重要であることに留意する必要があります。

適用箇所の例

パワーモーターの制御において、「順転、逆転、制動、空転」の４状態を２ビットの制 御信号を信号ケーブルで伝送している場合を例に取ります。仮にモーター運転中に、 ケーブルの信号線の断線や短絡等、酸化や硫化による接続コネクタの接触不良が発生し て、モーター制御が突然、順転から逆転に変わるとモーターの破壊や焼損、 モーターで動かされているものの 破壊や事故を招く といった事態が起こりえます。この ような箇所では制御信号の冗長化に加え、時間軸でのフィルタリングや状況のモニタリ ングを行うことが望ましいです。

高信頼・パワーモーター用ドライバインターフェース

弊社では、列車制御や製造産業機器向け設計開発を通じて、高信頼インターフェース技術に関する知見を蓄積してきました。 本システムは、その経験を元に構成したパワーモータードライバインターフェースの一例です。 誤り検知のフィードバックには部品要素として 最も壊れにくい ものの一つである電線と 温度測定用抵抗を用いています。

システムブロック図を図１に示します。

制御信号のエンコード論理式を式１に示します。

c[4..0] = (d1, d0, !d1, d0 $ d1, !d0); 

システムブロック図解説

1. マイクロコントローラ内部の２ビットの制御信号は式１の(5,2)誤り訂正符号にエンコードされて内蔵 PIOから出力されます。 この符号では１ビットの誤り訂正と信号ケーブル外れ及び制御符号の検出が可能です。 マイクロコントローラ内部で符号化することにより内蔵PIOの出力端子の故障も誤りとして検知することが可能です。
2. 制御符号はケーブルドライバ、信号ケーブル、入力保護フィルタ、デジタルデグリッチ、誤り検出訂正を経てモータードライバの制御信号となります。
3. 制御信号はパラレル伝送であるため、順転―空転間の遷移による低速 PWM にも対抗可能です。
4. モータードライバの温度測定箇所の温度は測温抵抗により検知されモニター信号となり、信号ケーブルを経てマイクロコントローラ内蔵のADCによりモニターされます。
5. モニター信号を ADC で変換した値は、通常時は決められた温度範囲に対して対応する値の範囲ですが、 ケーブルの断線や短絡によってそれに相当する最大値や最小値近辺の異常値になるので、モニター信号の異常を検知できます。
6. 誤り検出訂正に於いて誤りが検知された場合には誤り検出信号がアサートされます。
7. 誤り検出時には、あらかじめ決めてある安全側にモータードライバを設定します。
8. 誤り検出時には、測定温度抵抗に並列または直列に接続されたアナログ・スイッチを接続状態に切り替えます。 これにより、マイクロコントローラ側では、誤りが発生したことを、ADCで変換した値のある範囲の異常値として知ることができます。
9. 誤り検出により警告灯の点灯を行います。
10. 温度異常時などに、マイクロコントローラから制御信号として誤り検出が行われる符号を出力することにより、 モータードライバ側を予め決めてある安全側に設定し警告灯を点灯することが出来ます。

まとめ

従来のモータードライバインターフェースに、上述のシステムを構成する簡単かつ比較的安価な回路を追加することにより、 広範囲の異常に対処可能で堅牢な障害検知系を備える、より安全なシステムを構成することができます。

技術公開

特許取得から10年を迎え、本特許は 2026年8月をもって「技術公開フェーズ」へ移行する予定です。
本特許は、異常検出系は駆動系よりも高い信頼性とロバスト性を備えていなければならないという設計思想に基づいています。
すなわち、安全系は制御系より単純で、より故障しにくく、故障モードが予測可能であるべきだと考えています。
本技術および、その背景にあるフェイルセーフ思想が、今後の高信頼モーター制御および安全設計分野の発展に少しでも寄与すれば幸いです。

関連する技術開発・設計支援・応用技術のコンサルティング等につきましては、引き続き承っております。 お気軽にメールにてお問い合わせ下さい。

[2026-05-12]