EVモーター制御の専用回路を開発、CPU負荷軽減：ルネサス IMTS

ルネサス エレクトロニクスは、車載用マイコン向けのモーター制御専用回路技術「IMTS（Intelligent Motor Timer System）」を開発した。フィールド指向制御演算の処理を高速で実行し、CPUの負荷も大幅に軽減することができる。

[提供：EE Times Japan編集部，TechFactory]

　ルネサス エレクトロニクスは2017年2月7日、EVモーター制御のための処理を行う専用回路技術「IMTS（Intelligent Motor Timer System）」を開発したと発表した。この専用回路をIPコアとして車載用マイコンに内蔵することで、フィールド指向制御演算の処理時間は従来に比べて10分の1以下となる。CPUコアの負荷も大幅に軽減することができるという。

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　2020年以降にも登場するとみられる次世代EV向けモーターは、最高回転数が10万rpmを超えるとみられている。このため、モーターを制御するECU（電子制御ユニット）には高い性能や機能が求められている。制御用ソフトウェアも複雑となり、ECUに搭載されるマイコンも、演算を高速に実行できる性能が必要となる。しかも、車両1台に搭載されるモーター数はさらに増えることが予想されている。

　一方で、車載用マイコンは厳しい動作環境においても、高い信頼性が求められる。このため、ICチップ自体の発熱を抑える必要がある。処理能力を向上させるために動作周波数を高めていくには限界もあり、演算回路のハードウェア化など、回路設計の工夫が必要となる。

　ルネサス エレクトロニクスは今回、フィールド指向制御演算を0.8マイクロ秒で実行する専用回路を新たに開発し、車載用マイコンに搭載した。CPUコアとは独立して実行することが可能な構成とした。これにより、モーター制御時にCPUコアの負荷を大幅に軽減することが可能となった。

　モーター制御は、センサーによるモーターの電流値や角度の取得、指定の制御値に近づけるためのフィールド指向制御演算及び、PWM出力など一連の処理を行う。従来はこれらモーターの制御周期の管理を、マイコン内部のタイマー回路で行っていた。ところが、複数のモーター制御を同時に行うことになると、動作周波数が320MHzのCPUを内蔵したマイコンで処理しても、これらの演算処理のみでCPUの負荷は最大90％にも達することがあるという。

従来マイコンによるモーター制御の例 （クリックで拡大） 出典：ルネサス エレクトロニクス

　こうした課題を解決するために同社が開発したのがIMTS技術である。IMTSはフィールド指向制御演算回路をIPコアとして専用化し、モーター制御の専用タイマー回路と密結合する構成とした。これによって、制御周期ごとに行ってきた一連の処理を、IMTS側で自律的に行うことができる。CPUからは独立した形で動作する。

新開発のIMTS搭載マイコンを使ったモーター制御の例 （クリックで拡大） 出典：ルネサス エレクトロニクス

IMTSを搭載した40nmフラッシュ内蔵マイコンを試作し、モーター駆動システムに適用して動作検証を行った。IMTSによるフィールド指向制御演算処理時間は、専用回路としたことで0.8マイクロ秒と高速だ。この数値は、SiCパワーデバイスを用いた次世代EVモーター制御システムなどにも十分に対応できる性能だという。動作周波数が160MHzの自社製CPUでソフトウェア処理した場合は、10.6マイクロ秒も要していた。

　なお、制御するモーターの個数に合わせて、マイコン内部に同数のIMTSコアを内蔵すれば、マイコン1個で複数のモーターを制御することができるという。IMTSコアが占める面積は極めて小さく、多数のIMTSコアをマイコンチップに内蔵することが可能である。同社は、IMTSをIPコアとして用意し、外部に技術ライセンスすることも計画している。

コストを抑え機能安全にも対応

　車載用マイコンでは、機能安全への対応も不可欠となる。今回のマイコンに搭載されるCPUコアは、LSDC（ロックステップデュアルコア）技術を採用している。このCPUコアで、IMTS回路の内部を定期的に監視する方式とした。このため、機能安全のために別途、システムの二重化をする必要はなく、コストを抑えつつ高速制御と機能安全への対応を可能とした。

　モーター制御時にはCPUへの負荷がほとんどなく、機能安全を担保する際に2.4％の負荷がかかるという。モーター制御をソフトウェア処理していた時に比べてCPUの負荷が軽減される分、その処理能力を先進ソフトウェアの処理に割り当てることができる。

LSDC採用マイコンにより機能安全も担保した （クリックで拡大） 出典：ルネサス エレクトロニクス

開発したIMTSには、取り付け位置などで生じる外部センサーの誤差をリアルタイムに補正できる回路技術が搭載されている。この機能はユーザープログラムによって構成することができる。これらの補正機能は、IMTSで自律的に行われる。このため、CPUに負荷をかけることなく、より高精度な演算処理を行うことができるという。

　同社はこれまで、EV向けソリューションとして、LSDC搭載CPUやモータータイマー回路、モーターベクトル制御回路などを開発し、供給してきた。新たにIMTSをEV向けソリューションIPとして追加、新型モーターへの対応も含めて、オープン化による普及拡大を目指す。

　今回の技術は、車載用マイコンを主な用途して発表したが、多関節の産業用ロボットやドローンなど、複数のモーターを搭載したシステムにも適用できるという。なお、今回の研究成果は、米国サンフランシスコで開催中の「国際固体素子回路学会（ISSCC 2017）」で、現地時間2017年2月6日に発表した。