Success STORIES Success STORIES 株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社 / 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 車輪型ヒューマノイドロボット 「HJM-47」 のモータ制御に 株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社 / 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 HAJIME ROBOT イーエスピー企画 東芝のTMPM370が活躍。 セプトが素晴らしいことから、はじめ研究所へ も薦めたという。「当初は、ブラシレス DC モー タのなかでも組込みやすいものを使いたいとい うことで、イーエスピー企画の江崎さんと一緒 ヒューマノイドロボット製作で著名な「はじめ研究所」は、車輪型ヒューマノイドロボットの「HJM-47（はじめロボット47 号機）」に に研究をしていたのですが、なかなかうまくい 東芝セミコンダクター & ストレージ社（以下、東芝）の ARM® Cortex®-M3 搭載マイコン TMPM370 を採用した。はじめ研究所に きませんでした。江崎さんから TMPM370 を紹 TMPM370 を紹介したのが、モータ制御技術で多くの実績を持つイーエスピー企画である。ここでは TMPM370 の搭載理由に加え、 介されて、ベクトル制御が簡単に使えるものが 最新製品となるCortex-M4F 搭載マイコン TMPM470 の有用性などを聞いた。 あるのだったら、ということで採用することに 決めました」 （坂本氏）。ロボットに使用するモー タには、TMPM370 に搭載されているエンコーダ 有限会社はじめ研究所 取締役・工学博士 坂本 元 氏 などの位置決めに必要な機能が活用できる。 はじめ研究所が製作した車輪型ヒューマノイ ド ロ ボ ッ ト「HJM-47」は、2013 年 12 月 13 日 に 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 ミックスシグナルコントローラ統括部 ミックスシグナルコントローラ応用技術部 部長 増田 孝雄 氏 日本テレビで放映された「リアルロボットバト TMPM370 評価ボードに ドライバやモータを追加 ル日本一決定戦」向けに開発し、見事に優勝を 遂げた。現在は、テーマパークやイベントのエン ロボットとしてパワーのあるパンチが打てる。 タテインメントロボット、また大学や研究機関 「 モ ー タ を 評 価 す る な ら、 ド ラ イ バ や モ ー タ も 必 要 だ と い う こ と で TMPM370 が 搭 載 された評価ボードにそれらを乗せた評価プ での研究用のプラットフォーム機体として利用 されている。 ベクトル制御に必要な ソフトウェアが不用に 車輪に電動バイク用のインホイールモータを ラ ッ ト フ ォ ー ム と い う 形 に し ま し た（ 図 1）」 2 輪、補助輪として自在キャスター 4 輪を使用し ギアが衝撃に弱いと、パンチした際にモータ （イーエスピー企画 江崎氏）。さらに江崎氏は、 た合計 6 輪の車輪型ロボットである。車輪で移 の保護回路が働いてすぐに停止してしまう。そ TMPM370 に搭載されたベクトルエンジンは、 動するため、平地のコンクリートやアスファル こで、バネなどの衝撃を吸収するものを入れて ブラシレス DC モータのベクトル制御の重い処 ト上で時速 40km での走行が可能だという。上 いるという。腕の重量を軽くしたり、腕の長さ 理部分をハードウェアで対応できるというコン 半身の関節には強力なモータを使用し、バトル も制限があったため腰をひねることでリーチを 稼ぐなどの工夫を凝らした。 「HJM-47 の開発には東芝の TMPM370 が搭載 実用性を考えると大型の がけるようになりました。身長 2m の二足歩行 である TMPM370 が搭載されている。TMPM370 されたイーエスピー企画の開発プラットフォー ロボ ット（集合写真内）の開発が終わり、現在 をはじめ研究所に紹介したのがイーエスピー ムを採用しました。他のマイコンで組んでいた 4m のもの（はじめ研究所 坂本氏 搭乗）を開発 企画である。イーエスピー企画と東芝は関係 ベクトル制御のソフトウェア部分がハードウェ ロボットのなかでも人に似せたヒューマノイ しています。小型ロボットだと、おもちゃやホ が 深 く、「IAR シ ス テ ム ズ 社 か ら 提 供 さ れ る アで入っていて、演算速度が速いことから、ベ ドロボット（人型ロボットや二足歩行ロボット ビーで終わってしまいますが、実用性を考える TMPM370 搭載ボードをイーエスピー企画さん クトル制御部分のソフトウェアはほとんど不用 など）が、注目を集めている。はじめ研究所は、 と大型のものが必要になります。しかし、大型 にサポートしてもらっています。特にモータ制 になりました」 （坂本氏）。 2002 年からヒューマノイドロボットを開発・販 ロボットは、作るのが難しく部品が少ないため 御の開発ボードでは、イーエスピー企画の高い さらに坂本氏は、モータ数の制限はなかった 売してきた。 「もともと人型の小型ロボットか 大変苦労しました」 （坂本氏）という。 技術力が活かされているので、TMPM370 がリ が、使用数が多くなると重量がかさんだり、故 リースされた頃から協力いただいています」 （東 障のリスクも多くなってしまう。今回のモータ ヒューマノイドロボットが必要 22 らスタートしたのですが、より実用的なロボッ はじめ研究所が製作した車輪型ヒューマノイ トを開発したいということで大型ロボットを手 ドロボットの「HJM-47」に、東芝のARM マイコン ARM PARTNERS SUCCESS 芝 廣里氏）。 図 1：TMPM370 搭載ブラシレス DC モータ開発プラットフォーム。6 月には新バージョンの発売が予定されている。 構成として、肩、肘、首などの関節部にサーボ ARM PARTNERS SUCCESS 23 Success STORIES Success STORIES 株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社 / 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社 / 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 ており、ロボカップ世界大会など多くの大会で アドバンストエンコーダを搭載している。「使 優勝や入賞を果たしている。 う 側 と し て 心 を 打 た れ た の は、TMPM370 や 「モータ制御は多くのノウハウが必要になり TMPM470、TMPM070 のパッケージは基本的に ます。お客様のなかには長らくモータを専業に ピン互換であり、ハードウェア的な互換性が活 してきて多くのノウハウがある方ばかりでなく、 かされていることです」 （江崎氏）。 「それに加え モータ制御の経験が少ないところが多いのも事 レジスタも同じにしており、ソフトウェアも互 実です。そういうお客様でもベクトルエンジン 換性をもっているので、基本的にそのまま使用 を使えば、モータ制御を行うことが容易になり いただけます」 （三枝氏）。 ます」 （江崎氏）。「モータにはモータごとの個 アドバンストベクトルエンジンを 搭載した TMPM470 TMPM370 は、Cortex-M3 プ ロ セ ッ サ を 80MHz で動作させており、ブラシレス DC モー タの効率的な制御を実現するベクトル制御 性があり、それぞれのモータに合わせたチュー 省エネの観点からも エンジンを内蔵している。さらに、2 モータへ 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 ミックスシグナルコントローラ統括部 ミックスシグナルコントローラ応用技術部 ミックスシグナルコントローラ応用技術第一担当 主務 廣里 暢盛 氏 の対応や周辺アナログ回路内蔵といった特長 株式会社イーエスピー企画 代表取締役 により、モータを使用する製品の省エネを促 江崎 雅康 氏 進できる。「ソフトウェアでベクトル制御を行 ピン互換を維持したパッケージ ベクトルエンジンが有用 ラメータチューニングシステム）と呼ぶお客様 のモータ制御システムのチューニングを助ける 「国内のお客様は基本的に国内ベンダの製品 であると認識されており、現在、国内外問わず 多くの引き合いがあります。さらに、省エネの す。ベクトルエンジンを使用することで、ク 製品を開発しました」 （増田氏）。 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社 ミックスシグナルコントローラ統括部 ミックスシグナルコントローラ応用技術部 ミックスシグナルコントローラ応用技術第一担当 三枝 昭久 氏 3 種類の PI ゲインを 適正に調整できる PTS を開発 も効率良いチューニングが可能となります。PTS モータを 13 個（大 7、中 4、小 2）、車輪部にハ ロック周波数が低いマイコンでも対応できま 第 1 世代のベクトルエンジンは、ブラシレス 観点からもベクトルエンジンに注目が集まって の開発コンセプトは、手軽に最適値を探れるよ ブモータを 2 個搭載したという。 す」 （東芝 三枝氏）。「マイコンにいろいろなこ DCモータのベクトル制御の複雑な計算をハード います」 （増田氏）。「日本の国内総消費電力の ベクトル制御には、電流、速度、位置推定と うなツールをご提供しようというものです」 （三 「これらのモータは分散制御しています。腰 とをやらせようとすると、より高速なクロッ ウェアで実行できるようにしたもので、セクタ 57％はモータが消費しており、ブラシレス DC いう 3 種類の PI 演算があり、そのゲインを適正 をひねりながら腕を伸ばすなどの各モータが連 ク周波数が必要になり、発熱や消費電力の増 ごとに計算式が変わる相変換や座標軸変換など モータのベクトル制御技術は電力不足問題解決 に調整する必要がある。PTS は、ベクトル制御 動する動作は、別のマイコンで集中管理をして 大などの課題が生じます。ベクトルエンジン の複雑な演算を専用演算ユニットとスケジュー のカギのひとつとなるでしょう。家電製品や自 に必要な最適制御ゲインを可視化するツールだ。 制御しています」 （坂本氏）。 を活用することで、クロック周波数を低く抑 ラで構成されたベクトル制御エンジンが自動的 動車など民生用途では、ブラシレス DC モータ 「PI ゲインの調整は、いままでは経験豊富なモー で、PTS だけですべて簡単にできるというもので TMPM370 は、ブレーキと首周りのモータ制 えられ、消費電力の低減など、多くのメリッ に処理できる。第 2 世代のベクトルエンジンプ の採用が急速に進むことで省エネが広がってい タの専門家が時間をかけて行っていました。PI はないが、ある程度のところまで絞り込んでく 御に使用した。腕の制御はパワーが必要なので、 トを感じていただけると思います」 （東芝 増田 ラスは、第 1 世代のベクトルエンジンの機能に ます。ただし、国内総電力消費量の 50％を占め のパラメータは無限にありますが、PTS を使う れるだけでも有用なツールといえるでしょう」 現在、イーエスピー企画と TMPM370 を使用し 氏）。 加え、1 シャント専用関数の追加など、カスタマ る産業用途分野や 25％を占める業務分野はこれ ことで絞り込むことができます。絞り込んだ後、 TMPM370グループの後継となるのがTMPM470 イズ性を向上している。最新のアドバンストベ からです。いままさに、消費電力 1/2 の工場を 実際にモータを回して測定し、最適な点を見つ 「 は じ め 研 究 所 と し て は、 ロ ボ ッ ト を ど ん 「購入したモータは必ずしもベストだとは だ。「TMPM470 は、 コ ア に 最 大 144MHz 動 作 クトルエンジンは、非干渉制御やデッドタイム 目指すための模索が始まっているように思いま けることができるので、それほど経験がなくて どん大きくしていきたいと思っています。そ 思っていません。たとえば、産業用ロボットで の ARM Cortex-M4F を 採 用 し、 第 3 世 代 の ベ 補償など新機能を加え、さらなる性能や使い勝 は何かにぶつかったときに停止する保護回路は クトルエンジンとなるアドバンストベクトル 手が向上したものとなっている。 「ベクトルエン た制御基板を開発中とのことだ。 ジンは世代を更新することによって、よりかゆ きの衝撃で止まってしまっては倒れてしまいま 御向けマイコンです」 （東芝 増田氏）。さらに、 いところに手が届くものになっています。ア ベクトル エンジン センサレス矩形波制御の位置検出を容易にす ドバンストベクトルエンジンは、TMPM470 と （VE） るアドバンストエンコーダ（A-ENC）を搭載し TMPM475 に搭載されており、今後は、モータ 開発環境は、Eclipse の統合環境に gcc のクロ ており、プログラマブルモータドライバ（PMD) 制御向けのすべてのマイコンにアドバンストベ スコンパイラを使用しているという。「はじめ と組み合わせることで、センサレス矩形波制 クトルエンジンを搭載していきます」 （三枝氏）。 研究所さんのように先端を走っているのならそ 御が可能となっている。2015 年 2 月からサンプ ういった環境でも良いでしょうが、産業界に落 とし込むには、商用の開発環境が必要になりま ルの出荷を開始している。「ベクトルエンジン は東芝オリジナルのペリフェラルで、第 1 世 「今後は、ベクトルエンジンばかりでなく、周 辺のアナログ回路なども取り込んでいくことで、 さらに使い勝手の良いマイコンをご提供してい すので、イーエスピー企画としてはそういっ 代の『ベクトルエンジン』、第 2 世代の『ベク たツールにも対応しています」 （江崎氏）。この トルエンジンプラス』、第 3 世代の『アドバン 東 芝 は Cortex-M0 を 搭 載 し た TMPM070 グ HJM-47 以外にも、はじめ研究所は小型、中型、 ストベクトルエンジン』と進化しています（図 ループもラインアップしている。最大周波数 大型など各種ヒューマノイドロボットを製造し ARM PARTNERS SUCCESS 2）」 （三枝氏）。 きます」 （増田氏）。 40MHz で動作させ、ベクトルエンジンプラスや 2015 年 3 月から、PTS の提供を開始している。 「モータ制御のチューニングは非常に泥臭い世界 （江崎氏）という。 チューニングできません。制御マイコンとして エンジン（A-VE）を搭載した最新のモータ制 （坂本氏）。 枝氏）。 うなると購入してきたモータでは思うように 必要ですが、二足歩行ロボットで足をついたと す。もっと柔軟なモータ制御が必要になります」 24 ニングが必要となりますが、東芝では PTS（パ を使いたがります。海外でも日本製品は高品質 うと、コアへの負荷が大きくなることからク ロック周波数の高いマイコンが必要となりま す」 （江崎氏）。 ベクトルエンジンの進化 専用ハードウェアとソフトウェア処理の協調により、 さまざまな環境下でのモータ制御に 柔軟に対応し進化を続ける。 高機能化、高性能化を実現する 新関数群の追加 第3世代 りロボットに適した制御ができるのではと期待 アドバンスト ベクトルエンジン しています」 （坂本氏）。「モータが大きくなって 1 シャント専用関数 ＋カスタマイズ性向上 第2 世代 相変換演算とPMD、ADCが 連動し、CPU 負荷低減 TMPM370 や TMPM470 を 使 用 す る こ と で、 よ Ｍ470 グループ製品 もパワーデバイス部分が変わるだけで、ロジッ クはそのまま活かせます。今後は、IGBT や SiC などのパワーデバイスを使用することで、大 ベクトルエンジン プラス 型モータの制御に対応していきます」 （江崎氏）。 Ｍ370 グループ製品 第1世代 「モータ制御に向けたマイコンのラインアップ の拡充に加え、性能を上げて価格を下げるとい ベクトルエンジン Ｍ070 グループ製品 う相反する要件を追求していきます」と増田氏 は結んだ。これからも東芝の提供するモータ制 御に関するソリューションは注目していくべき 図 2：数ある ARM マイコンのなかでも、その違いが際立つ東芝のベクトルエンジン。 すでに第三世代へと進化を遂げている。 だろう。 ARM PARTNERS SUCCESS 25
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