イーサネット通信モーター コントローラー: プロトコル、統合、選択

モーター制御においてイーサネットが従来のフィールドバスに取って代わった理由

20 年間、Modbus RTU や CANopen などの RS-485 ベースのプロトコルがモーター制御通信の主流を占めていました。これらは信頼性が高く、決定的であり、実装コストが低かったです。また、速度も遅く、トポロジーも限られており、最新の自動化された生産ラインのデータ需要との互換性がますます高まっていませんでした。産業用イーサネットへの移行は、流行によるものではなく、数学によるものでした。

従来のフィールドバス システムは通常、パフォーマンスが低下する前に数十ノードで上限に達するネットワーク トポロジで 1 ～ 12 Mbps で動作します。産業用イーサネット プロトコルは 100 Mbps ～ 1 Gbps で動作し、単一のネットワーク セグメント上で数百のノードをサポートし、多軸モーション調整に必要なミリ秒未満のサイクル タイムを実現します。 HMS Networks の 2025 年の産業用ネットワーク市場シェア レポートによると、 新しいファクトリー オートメーション ノードの 79% が産業用イーサネット プロトコルを搭載して出荷されるようになりました。 従来のフィールドバスではなく、10 年前には信じられないほどの数字です。

モーター コントローラーの設計者やシステム インテグレーターにとって、この移行は直接的な実際的な結果をもたらします。通信インターフェイスはもはや二次的な仕様ではありません。これにより、コントローラーが協調駆動システムで何ができるか、PLC や HMI とどのように統合されるか、中間ゲートウェイなしで IIoT データ パイプラインに参加できるかどうかが決まります。 産業用B2Bアプリケーション向けのブラシレスDCモーターコントローラー イーサネット インターフェイスをオプションのアドオンではなく標準機能として搭載するケースが増えています。これは、プロトコルの移行がドライブ市場にどれほど深く浸透しているかを反映しています。

モーターコントローラー用の主要な産業用イーサネットプロトコル

世界中のイーサネット接続されたモーター制御設備の圧倒的多数を占めるのは 4 つのプロトコルです。それぞれが、標準のイーサネット ハードウェアを介して制御データを確実かつ予測どおりに送信するという、同じ中核的な課題に対して異なるアーキテクチャ アプローチを採用しています。

EtherCAT（制御自動化技術用イーサネット） ベッコフ オートメーションによって開発され、2005 年に IEC 標準になりました。その特徴的な革新は「オンザフライ処理」です。各ノードが専用のパケットを受信する代わりに、単一の EtherCAT フレームがすべてのスレーブ ノードを順番に循環し、各ノードが独自のデータを読み取り、フレームの通過時に応答データを挿入します。これにより、パケット スイッチングのオーバーヘッドが排除され、100 マイクロ秒未満のサイクル タイムと 1 マイクロ秒未満のジッターが実現されます。これにより、数十のサーボ軸の同期が本当に実現可能になります。の EtherCAT Technology Group の公式技術文書 では、マネージド スイッチを使用せずにライン、ツリー、スター、リング トポロジをサポートしながら、プロトコルがどのように IEC 61158 準拠を達成するかについて詳しく説明します。

プロフィネット は、PROFIBUS & PROFINET International (PI) によって管理されており、Profibus の直接の後継者であり、ヨーロッパの産業市場を支配しています。標準 I/O アプリケーション向けの 1 ～ 10 ミリ秒のサイクル タイムの プロフィネットRT (リアルタイム) と、高精度モーション コントロール向けの 250 マイクロ秒という短いサイクル タイムの プロフィネット IRT (アイソクロナス リアルタイム) の 2 つのモードで動作します。改修プロジェクトの主な利点は、ネイティブの Profibus プロキシ サポートです。既存の Profibus デバイスは、ゲートウェイ プロキシを介して PROFINET ネットワーク上で通信できるため、設置された機器を交換することなく段階的に移行できます。

イーサネット/IP は、ODVA によって維持され、標準の TCP/IP および UDP/IP の上に重ねられた Common Industrial プロトコル (CIP) に基づいて構築されており、北米のディスクリート製造における主要なプロトコルです。特殊なスイッチを使用せずに従来の IT インフラストラクチャ上で実行され、既存のプラント ネットワークへの簡単な統合を提供し、複数のベンダーの PLC、ドライブ、および I/O モジュールの広範なエコシステムをサポートします。一般的なサイクル時間は 2 ～ 10 ミリ秒で、ほとんどのディスクリート I/O および中速ドライブ アプリケーションに適しています。 CIPsync 拡張機能を使用すると、より厳密な同期が可能になります。

Modbus TCP は、最もシンプルで最も広くサポートされているオプションであり、古典的な Modbus RTU レジスタ モデルを TCP/IP に直接変換します。ネイティブのリアルタイム保証がないため、要求の厳しいモーション コントロールの役割には適していませんが、ユニバーサル デバイスのサポートとライセンス コストがゼロであるため、決定性が必要とされない監視、構成、およびデータ ロギング層にとって実用的な選択肢となります。

プロトコルの比較: サイクルタイム、トポロジ、および互換性

これらのプロトコルの中から選択するには、最も使い慣れたプロトコルをデフォルトにするのではなく、プロトコルの特性をアプリケーションの要件に一致させる必要があります。以下の表は、4 つの主要なオプションにわたる主な差別化要因をまとめたものです。

データの中で 1 つのパターンが際立っています。EtherCAT のサイクル タイムの利点はわずかなものではなく、同等の条件下で EtherNet/IP よりも桁違いに高速です。 CNC 工作機械、ロボット アーム、協調コンベヤ システムなど、複数のモーター軸にわたる厳密な同期が必要なアプリケーションでは、そのギャップが位置決め精度に直接影響します。標準プロセス機器の単軸ドライブの場合、実際には違いが問題になることはほとんどなく、EtherNet/IP または PROFINET RT の使いやすさとインフラストラクチャの互換性が実際の速度を上回ることがよくあります。

ネットワーク トポロジも実用的な重要性を持ちます。 EtherCAT のデイジーチェーン アーキテクチャにより、マネージド スイッチが不要になり、多数の分散ドライブ ノードを備えたシステムのキャビネット スペースとコストの両方が削減されます。 PROFINET IRT のタイミング対応スイッチの要件により、インフラストラクチャのコストが増加しますが、EtherCAT の線形トポロジでは容易に対応できない、地理的に分散したノード間でのクロック同期が可能になります。

イーサネット通信を BLDC モーター コントローラーに統合

イーサネット インターフェイスをブラシレス DC モーター コントローラーに追加するには、物理ハードウェア、通信スタック ファームウェア、アプリケーション層ドライブ プロファイルの実装という 3 つのレベルでの決定が必要になります。

ハードウェア レベルでは、EtherCAT の統合は通常、メイン MCU から独立してフレーム処理を処理する専用のスレーブ コントローラ ASIC (ET1100 や ESC10 ファミリなど) に依存します。このオフロードにより、100 マイクロ秒未満のサイクル タイムが可能になります。イーサネット処理は、モーター制御ループと CPU サイクルを競合することはありません。 PROFINET および EtherNet/IP 実装では、FPGA 上のデュアルポート RAM モジュールまたはソフトコア実装がより一般的に使用されます。これにより、柔軟性が向上しますが、ファームウェア アーキテクチャでより慎重なレイテンシ管理が必要になります。

ファームウェア レベルでは、ドライブ プロファイルは、モーター制御コマンドがネットワーク プロトコルにどのようにマッピングされるかを定義します。もともと CANopen 用に開発された CiA 402 ドライブ プロファイルは、EtherCAT (CoE、CANopen over EtherCAT 経由)、PROFINET、および EtherNet/IP 実装にわたるモーター ドライブの主要なアプリケーション層標準となっています。ドライブの有効化/無効化、動作モード (位置、速度、トルク)、およびベンダー中立的な方法で障害処理のステート マシンを定義し、コントローラー ブランド全体で PLC プログラミングを簡素化します。 CiA 402 を正しく実装しているコントローラーは、通常、カスタム機能ブロックを使用せずに、IEC 61131-3 準拠の PLC でコミッショニングできます。

調整された多軸システムの場合、分散クロック同期は重要なファームウェア機能です。 EtherCAT の分散クロック メカニズムは、すべてのスレーブ ノードを相互に 1 マイクロ秒以内に同期します。これは、電子ギアリング、カム プロファイリング、およびその他の同期モーション機能の前提条件です。これを正しく実装するには、スレーブ ファームウェアでの伝播遅延補正とクロック ドリフト補正に細心の注意を払う必要があります。 高性能 T シリーズ モーター コントローラー ネットワーク通信処理と並行して、厳しい電流ループ更新レートを維持するために必要な処理アーキテクチャが組み込まれており、エントリーレベルのコントローラ設計ではこのバランスが損なわれることがよくあります。

純粋なドライブコントローラーを超えて、システムレベルの通信統合は監視ユニットにまで拡張されます。 統合ネットワーク通信を備えた車両制御ユニット 複数のモーター コントローラーからの駆動データを集約し、システム レベルのステート マシンを管理し、テレマティクスとリモート診断用のアップストリーム イーサネット ゲートウェイを提供します。この機能は、フリートや産業用機器が予知保全モデルに移行するにつれて重要性が増しています。より軽量なEVおよび電動自転車アプリケーション向けには、 電動自転車および軽EVモーターコントローラー Bluetooth および CAN インターフェイスが通信層として組み込まれることが増えており、簡素化されたユーザー インターフェイスとその基礎となるモーター駆動ループの間のブリッジとして機能します。

モーター制御アプリケーションに適切なプロトコルの選択

プロトコルの選択が単一の要因によって決まることはほとんどありません。 6 つの質問は、ほとんどのモーター制御システム設計の実際的な決定領域をカバーします。

1. モーションアプリケーションにはどれくらいのサイクルタイムが必要ですか? 多軸サーボ調整では通常、EtherCAT または PROFINET IRT を指す 1 ミリ秒未満のサイクル タイムが要求されます。プロセス機器の単軸可変速ドライブは通常、5 ～ 10 ミリ秒の更新レートで快適に動作し、EtherNet/IP または PROFINET RT が適切に動作します。
2. どの PLC またはモーション コントローラーが既にシステムに組み込まれていますか? 多くの場合、これが決定的な要因となります。 Siemens S7 コントローラは PROFINET を好みます。 Rockwell/Allen-Bradley システムは EtherNet/IP を中心に構築されています。 Beckhoff と Omron のモーション プラットフォームは EtherCAT で標準化されています。ゲートウェイを介してプロトコルの境界を越えることは可能ですが、遅延と複雑さが追加され、ネイティブ プロトコルのパフォーマンス上の利点が損なわれます。
3. ネットワークはいくつの駆動軸をサポートしますか? EtherCAT の単一ネットワーク上のデバイス数 65,535 という理論上のノード制限は、現実的なインストールをはるかに超えていますが、そのデイジーチェーン トポロジにより、ノードを追加するとフレーム トラバース時間がわずかに長くなります。数百もの分散 I/O ポイントを備えた非常に大規模な設備の場合、PROFINET のスイッチベースのスター型トポロジは、より柔軟な物理レイアウトを提供する可能性があります。
4. 機能安全はネットワーク層で必要ですか? EtherCAT (FSoE、Functional Safety over EtherCAT 経由) と PROFINET (PROFIsafe 経由) はどちらも、標準プロセス データと同じケーブル インフラストラクチャを介した IEC 61508 準拠の安全通信をサポートします。 EtherNet/IP は、同等のアプリケーションに対して CIP Safety をサポートします。 SIL 2 または SIL 3 の安全トルクオフ機能または安全速度機能が必要な場合は、モーター コントローラーの安全ファームウェアが、選択したプロトコルの安全拡張機能に対して認定されていることを確認してください。
5. インフラストラクチャとメンテナンスの制約は何ですか? EtherCAT ではマネージド スイッチが不要なため、キャビネットの設計が簡素化され、障害点が減少します。 PROFINET と EtherNet/IP は、プラント保守チームがすでにスペアパーツを管理および在庫している標準的な IT スイッチ インフラストラクチャを活用しています。これは、オートメーション ネットワークの専門知識を持たない施設では実際的な利点となります。
6. コントローラーはどのようにしてターゲットモーターとペアリングしますか? 通信プロトコルとモーターのマッチングは相互に依存しています。高帯域幅のネットワーク通信用に最適化されたコントローラーは、モーターの電気時定数が要求する電流ループの更新レートも維持する必要があります。レビュー中 モーターコントローラーとモーターのペアリングのガイダンス コントローラーとプロトコルの組み合わせを決定する前に、ネットワーク インターフェイスの仕様が、モーターが実際に使用できる基礎的なドライブのパフォーマンスを超えていないことを確認してください。

調達チームとエンジニアリング チームにとって重要なのは、正しいプロトコルとは、PLC エコシステムに適合し、モーション サイクル タイム要件を満たし、設置トポロジにこの順序で適合するものです。生のプロトコル速度を必要としないアプリケーションで生のプロトコル速度を最適化すると、メリットはなくコストが追加されます。確定的な同期を必要とするアプリケーションの仕様を過少にすると、信頼性の問題が発生し、いくら調整しても完全には修正できません。