正しいサーボモーターの選び方

現在最もホットな分野であるオートメーションは、重要な役割を担っており、一般的にプロジェクトの精密な速度や位置制御部品に使用されている。

自動化装置の設計者は、しばしばモーター選択の様々な問題に直面する。サプライヤーが提供するモーターは多種多様で、パラメーターも無数にあり、初心者には圧倒されることが多い。

この記事では、困っている人たちに少しでも助けになればと思い、実務での経験を紹介する。

I.サーボモーターとは

サーボモーターは、サーボシステムの機械部品の動きを制御するエンジンであり、基本的には間接的な可変速機構を備えた補助モーターである。

サーボモーターは、その動力源によって分類される：直流（DC）サーボモーターと交流（AC）サーボモーターである。

両者の機能的な違いは、ACサーボは正弦波制御のためトルクリップルが少なく、性能が良い。一方、DCサーボは台形波を採用している。

しかし、DCサーボはよりシンプルでコスト効率が高い。サーボモーターは正確な制御が可能で、指示された通りに正確に回転し、クローズドループと呼ばれるフィードバックによって精度を保証します。これは、エンコーダーを使用して回転を確認することで達成され、制御精度を高めます。

ステッピングモーターの精度はステップ角で測定されます。市場で一般的なステップ角は、0.36°/0.72°（五相モーター用）、0.9°/1.8°（二相・四相モーター用）、1.5°/3°（三相モーター用）である。ドイツのBERGER LAHR社は、DIPスイッチでステップ角を選択できる3相ハイブリッドステッピングモーターを製造している：1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°。

ステップ角0.036°のステッピングモーターを考えてみよう。

0.036 = 360/10000

このステッピングモーターの後端にエンコーダーが取り付けられていると仮定すると、式はモーターが1回転あたり10,000パルスを発することを意味し、エンコーダーの分解能が10,000であることを示す。

サーボモーターの精度は、その後端に取り付けられているエンコーダーの分解能によって測定される。現在、サーボ・エンコーダの分解能は2²³サーボモーターの精度がステッピングモーターをはるかに上回っていることを実証している。

標準的なモーターは、電源を入れると回転を始め、電源を切ると停止する。回転以外に何か付加的な機能があるとすれば、それは逆回転能力だろう。

II.正しいサーボモーターの選び方

1.アプリケーションシナリオ

オートメーション分野の制御モーターは、サーボモーター、ステッピングモーター、可変周波数モーターに分けられる。精密な速度制御や位置制御が必要な部品には、サーボモーターが選ばれます。

インバータ＋可変周波数モータの制御方式は、モータに入力する電源の周波数を変えることでモータの回転数を変える。一般的にはモータの回転数制御のみに使用される。

サーボモーターとステッピングモーターの比較：

a) サーボモーターは閉ループ制御を使用し、ステッピングモーターは開ループ制御を使用する。

b) サーボモーターは精度測定にロータリーエンコーダを使用し、ステッピングモーターはステップ角を使用する。一般的な製品レベルでは、前者の精度は後者の100倍に達する。

c) 制御方法は同様である（パルスまたは方向信号）。

2.電源

サーボモーターは、電源の種類によってACサーボモーターとDCサーボモーターに分類される。

どちらも比較的簡単に選択できる。一般的なオートメーション機器の場合、顧客は通常、標準的な380Vの産業用電源または220Vの電源を提供しており、この場合、対応する電源にサーボモーターを選択するだけで、電源の種類を変換する必要がなくなる。

しかし、立体倉庫のシャトルボードやAGVのように、その移動性から直流電源を内蔵するものが多く、DCサーボモーターを使用するのが一般的である。

3.ブレーキ

モーション・メカニズムの設計に基づき、以下のような逆転傾向があるかどうかを検討する。

モータをパワーオフ状態または静止状態にする。逆回転しやすい場合は、ブレーキ付きのサーボモータを選定する。

4.セレクションの計算

選択計算を行う前に、まず機構の端の位置と速度の要件を決定し、次に伝達機構を特定する必要があります。

この時点で、サーボシステムと対応する減速機を選択することができます。

選択プロセスでは、以下のパラメータを考慮する：

4.1.パワーとスピード

構造形式と最終負荷に要求される速度と加速度に基づいて、モーターに必要な出力と速度を計算する。

一般に、減速機の減速比は、選択したモーターの回転数に合わせて選ぶ必要がある。

実際の選定では、例えば負荷が水平運動の場合、様々な伝達機構の摩擦係数や風荷重係数の不確実性から、P=TN/9549の式が明確に計算できない（トルクサイズを正確に算出できない）ことが多い。

実際、サーボモーターを使用する際、最大のパワーを必要とするのは加減速の段階であることが多い。

そのため T=F*R=m*a*Rm：負荷質量、a：負荷加速度、R：負荷回転半径）。

以下の点に注意が必要だ：

a) モータの電力余剰率；

b) メカニズムの伝送効率を考える；

c) 減速機の入出力トルクが規格に適合し、一定の安全係数を有しているか；

d) 後からスピードが上がる可能性があるかどうか。

クレーン産業のような伝統的な産業では、通常の誘導モーターが駆動に使用され、明確な加速度要件はなく、計算過程では経験式が使用されていることは特筆に値する。

注：垂直荷重運転の場合、重力加速度を計算に含めることを忘れないでください。

4.2.慣性マッチング

負荷の高精度制御を実現するには、モーターとシステムのイナーシャが合っているかどうかを考慮する必要がある。

なぜ慣性マッチングが必要なのかについては、インターネット上でも統一された説明はない。

イナーシャマッチングの原理は、システムのイナーシャをモータ軸に換算して考え、モータのイナーシャに対する比率を10以下にする（シーメンス社）。比率が小さいほど制御の安定性は向上するが、より大きなモータが必要となり、コストパフォーマンスが低下する。

具体的な計算方法についてご不明な点は、本学の「理論力学」をご参照ください。

4.3.精度要件

減速機と伝動機構を調べた後、モーターの制御精度が負荷の要求を満たせるかどうかを計算する。減速機や一部の伝動機構には一定のバックラッシュがあり、それらすべてを考慮する必要がある。

4.4.コントロール・マッチング

This mainly involves communication and confirmation with electrical designers, such as whether the communication method of the servo controller matches the PLC, the エンコーダーの種類また、データ出力が必要かどうかも問われる。

4.5.ステップ

サーボモータの選定は、機構の重量だけでなく、装置の運転条件によっても左右される。慣性が大きいと加減速のトルクが大きくなり、加減速の時間が短くなるため、出力トルクの大きいサーボモータが必要になります。

サーボモータの仕様選定は、以下の手順で行ってください：

1. 最大出力トルクが加速トルクと負荷トルクの和より大きいサーボモータを選定する。そうでない場合は、負荷条件を満足するまで他の機種を選定・検証する。
2. 負荷の重量、構造、摩擦係数、運転効率から負荷トルクを計算する。
3. 運転条件から適切な負荷慣性補正式を選択し、機構の負荷慣性を計算する。
4. 負荷イナーシャとサーボモータのイナーシャから、適切なサーボモータの仮仕様を選択する。
5. 負荷トルク、加速トルク、減速トルク、保持トルクを考慮して連続瞬時トルクを計算する。
6. 負荷機構の動作条件（加減速度、動作速度、機構重量、動作）を定義する。
7. メインサーボモータのイナーシャと負荷のイナーシャを組み合わせて加減速トルクを計算します。
8. 選択を確定する。

5.ブランド

現在、市場にはさまざまな性能のサーボモーターのブランドがある。一般的に、予算を気にしないのであれば、ヨーロッパやアメリカのブランドを選ぶとよい。予算を重視するのであれば、日本製、次いで台湾製、中国製を選ぶとよいだろう。

これは筆者が海外ブランドに偏っているのではなく、実際に使ってみての教訓である。

過去の経験から、一般的に国産サーボモーターの基本性能に問題はないが、サーボコントローラーの制御アルゴリズムや統合性、安定性で遅れをとることがある。

一般的に使用されているサーボモーターのブランド：

ヨーロッパとアメリカ：シーメンス、ABB、レンツェなど；

日本のパナソニック、三菱、安川など

特筆すべきは、オートメーション設計においては、外部の力を活用することを学ばなければならないということだ。特に非標準のオートメーションでは、多すぎるデバイスの選択と計算に直面し、圧倒されることが多く、残業が常態化している。

今すぐだ、 サーボモーターメーカー が技術サポートを提供している。負荷、速度、加速度、その他のパラメータ要件を提供しさえすれば、彼らは独自のソフトウェアを持っており、自動的に適切なサーボモータを計算し、選択するのに役立ちます。