プロセッサ最新テクノロジ2015　シリーズ9

5V動作対応で、高い耐ノイズ性と堅牢性を発揮

モータ駆動に最適なNXPセミコンダクターズのKinetis Eシリーズ

　　家電機器から産業機器までさまざまな機器でモータが用いられており，マイコンのモータ制御アプリケーションは急速に増加している．その中で，家電機器のモータ制御アプリケーションではそれほど高い演算性能は要求されない代わりに，低コストや堅牢性に対する要求は強い．近年ではロジックLSIの低電圧化に対応して，マイコンのI/Oでも5Vが使われることは次第に少なくなり，マイコンの動作電圧も3Vが標準的になってきた．しかし，家電機器のモータ制御アプリケーションでは，耐ノイズ性を高められる5V動作マイコンのニーズが高い．今回は，5V動作対応でモータ駆動に最適なKinetis Eシリーズの新製品についてお話を伺った．
執筆：宮﨑 仁 

プレゼントの入り口はは文末にあります．

NXPセミコンダクターズ マイクロコントローラ製品統括部　喜須海 統雄 氏（左）	NXPセミコンダクターズ アプリケーション技術本部　永井 克俊 氏（中）	NXPセミコンダクターズ マイクロコントローラ製品統括部　喜須海 統雄 氏（左） アプリケーション技術本部　永井 克俊 氏（中），渥美 勝浩 氏（右）

１．モータ駆動に最適なKinetis Eシリーズ  

　　MPU，MCUを中心に世界でも有数の半導体メーカとして知られていたフリースケールは，2015年12月にNXPセミコンダクターズと経営統合し，新生NXPのラインナップがさらに充実した．中でもARM Cortex-MコアのKinetisシリーズは，2010年の発売以来ラインナップの拡張を続け，現在は約1,000種類の品種をもつ業界最大のラインナップとなっている．

　ここでKinetisファミリを概観しておこう．以下（）内はCortex-Mのコアの種類．
　　・Kinetis K（M4）高性能/高機能
　　・Kinetis L（M0+）超ローパワー
　　・Kinetis E（M0+）5V動作
　　・Kinetis V（M7/M4/M0+）モータ制御/電力変換
　　・Kinetis M（M0+）電力計測
　　・Kinetis W（M4/M0+）ワイヤレス通信

　このうち，Kinetis K/L/Eなどは標準マイコンとして，Kineis V/M/Wなどは特定用途向けのASSPマイコン製品としての位置付けとなっている．

　2013年発売のKinetis EシリーズKE0xZは，5V動作（動作電圧2.7〜5.5V）の耐ノイズ性と堅牢性，Cortex-M0+コアの低価格と電源効率が特長で，家電機器などの用途に好評だ．特に，これまで5V動作の8〜16ビット・マイコンを使用していたユーザにとっては，低コストを維持しながら，将来の発展性が期待されている，そのEシリーズに新たにKE1xF，KE1xZが開発されている．

　開発中のKE1xF（図1）はCortex-M4F搭載．2台の三相モータを同時に制御できるPWM*を搭載している．従来製品のKE0xZに比べてCPUコア，動作周波数，メモリ容量が大幅に強化されるとともに，各種機能も大幅に強化されている．特長は，160MHz動作のCortex-M4F（DSP，FPU内蔵）で8KB命令/データ・ キャッシュ内蔵），内蔵フラッシュメモリは最大512KBでECC付き，内蔵SRAMは最大64KBでECC付き，EEPROM内蔵，ブートROM内蔵，信頼性（ECC付きメモリ，カスタマ・コード保護機能，IEC60730対応の安全機能），アナログ機能，タイマ/PWM機能，耐ノイズ性の強化など改良が行われているようだ．

* PWM=Pulse Width Modulation：パルス幅変調方式

図1　Kinetis KE1xFのブロック図

　もう1種類のKE1xZはCortex-M0+をベースとする72MHz動作のシリーズだ．1台の三相モータを制御できるPWM*を搭載している．従来製品のKE0xZに比べ，動作周波数の高速化（48MHz→72MHz），メモリ容量の拡大（フラッシュ最大128KB→256KB，SRAM最大16KB→32KB）と強化を図った．特長としては信頼性（ECC付きメモリ，カスタマ・コード保護機能，IEC60730対応の安全機能），アナログ機能，タイマ/PWM機能，耐ノイズ性の強化などの改良に加えて，25チャネルTSI（タッチ・スクリーンI/F）を搭載して家電機器のユーザ・インターフェースに適している（図2）．両シリーズともサンプルは2016年第2四半期の予定だという ．

図2　Kinetis Eシリーズのラインナップ

２．Kinetisファミリの開発環境

　次にツールやライブラリを概観する．Kinetis Software Development Kit（Kinetis-SDK）は，Kinetis全シリーズ対応の開発ツール・キットで，リアルタイムOS（RTOS），ドライバ，ミドルウェア，通信プロトコル・スタックなどが階層的に構築されており，下位層のHAL（Hardware Abstraction Layer）でハードウェアの違いを吸収することによって，上位層の共通化を可能にしている．ツールチェーンとしては，IARのEWARM，ARMのKeil，AtollicのTrueSTUDIOなどの使い慣れたものを選択できる．さらに，GUIによって内蔵モジュールの設定を簡単化し，必要なドライバを自動生成するProcessor Expert Softwareをプラグインとして利用できる．

　また，Embedded Software Motor Control and Power Conversion Libraries（図3）はモータ制御のソフトウェア開発を強力に支援する．統一されたAPIをもつ基本ファンクション（GFLIB），モータ制御（GMCLIB：三相モータ制御に必要なベクトル変換，パーク演算，クラーク演算など基本的な機能），アドバンスト・モータ制御（AMCLIB：センサレス・モータ制御などの複雑なモータ制御向けのライブラリでGMCLIBと組み合わせて使う），基本演算（MLIB），パワー変換（PCLIB）などのライブラリから構成され，アプリケーションを簡単に実現できる．

図3　 Embedded Software Motor Control and Power Conversion Libraries

３．Kinetisファミリの開発用ボード

　Kinetisファミリの開発用ボードとしては，Tower System（写真1）とFreedom開発プラットフォームの2種類が提供されている．Tower Systemは，コネクタをもつelevatorボードを両サイドに置き，高機能の開発用ボードを積み上げるように接続していく．Kinetisファミリだけでなく，NXPのハイエンド製品であるi.MXアプリケーション・プロセッサやQorIQマルチコア・プロセッサなど多くの製品が対応している．また，モータ制御ボードや無線通信モジュールなどの周辺ボードも数多く用意されており，大規模なシステムでも迅速に組み上げることができる．

写真1　 Tower System

　Freedom開発プラットフォームはKinetisマイコンを手軽に使ってみたいときに最適な小型，低価格の開発ボードだ．センサなどの周辺ボードも用意されており，すぐに開発を始められる．ボード上のコネクタはArduinoと互換性があり，Arduinoのシールドも利用できる．開発中のFreedom開発プラットフォームのFRDM-KE15Zを見てみよう（写真2）．開発環境とはUSB接続で電源も供給される．また6軸センサ，タッチセンサ，3色LEDも搭載．このボード単体でも多様なアプリケーションに利用できそうだ．
写真2　 KE15Zを搭載したプラットフォーム（FRDM-KE15Z）

　家電から産業機器まで多彩な要求に対して，Kinetis全体のラインナップを充実させていく新生NXPセミコンダクターズ社の今後の動向に期待したい．

 ------------　第9話　終了　------------

プレゼントはこちらから

https://cc.cqpub.co.jp/system/enquete_preview/490/

アンケートに答えていただいた読者に，
低電圧三相PMSMモータを制御できるKinetis KV31搭載の開発キットをプレゼントします（5名様）．
キット価格 $105（USD）相当！ もちろんモータ付き．
プレゼントは下記の3つで構成されています

 ①FRDM-KV31F　($20)
Kinetis KV3xファミリ　Freedom開発プラットフォーム

②FRDM-MC-LVPMSM　($50)
低電圧三相PMSMモータ制御向けのFreedom開発プラットフォーム

③FRDM-MC-LVMTR　($35)
Freedom開発プラットフォーム向け低電圧三相モータ
Linix 45ZWN24-40 Motor

 ①上記のFreedom開発プラットフォームFRDM-KV31Fの内訳です．↓

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インターフェース誌　巻頭企画プロセッサ・メーカにテクノロジ・シリーズの
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