深海探査技術は画期的ですが、水中遠隔操作車（ROV）が克服しなければならない数々のモーションの課題が伴います。Elmo Motion Control は、この進歩し続ける各モーションの課題に対応し、究極のソリューションを提供します。
Elmo の活躍
Elmo 搭載の遠隔操作車両 (ROV)、無人水中ロボット
背景
遠隔操作無人探査機 (ROV) とは、"アンビリカルコード " と呼ばれる一連のケーブルでオペレーターと接続された無人水中ロボットです。これらの水中ロボットには、ロボット型マニピュレーター、センサー、カメラなどが搭載されていることが多く、これらを組み合わせることで、バルブの開閉、切断、洗浄、清掃、ネジ切り、溶接などの作業を環境と相互作用させることができます。このような高度なセンシング能力と操作能力により、ROVは サンプルの採取や水中機器の監視・修理など、人間が行うには困難または危険な多くの作業を行うことができます。
水中作業がもたらす課題
ROV や AUV (自律型水中ロボット)、そしてそれらのロボット・マニピュレータを制御する電気・電子部品は、深海での運用から生じる圧力、温度、振動に耐える堅牢性が求められます。Elmo の サーボドライブは、このような条件下で動作する唯一の製品で、-40~70℃の温度と700 bar (海面下 7000 mに相当) までの圧力に適しています。
ROVでは、水中機器や自然の障害物を通過したり、その周囲を移動したりするために、ROVは軽量かつ小型でなければならないため、スペースは貴重です。ここでもElmo ドライブは、最小・最軽量のパッケージで高出力の要件を満たすのに最適です。例えば、ROVは水中での推進、操縦、安定化に多方向スラスタを使用します。過酷な海底条件下での動作に加え、これらのスラスターは非常に高い電流と電圧を必要とします。Elmo は、111 x 76 x 30 mmのフットプリントで最大 800V DCを供給できる高電圧GoldとSimplIQドライブで、これらの課題に対応しています。高出力が必要であるにもかかわらず、ROVの小さく密閉された環境内では発熱を最小限に抑える必要があります。スラスタが操舵に必要な出力が数ワットであっても、推進に数キロワットであっても、Elmo ドライブは大きな熱を発生させることなく必要な出力を供給できるため、ドライブやその他のROVコンポーネントの寿命を延ばすことができます。
スラスターがもたらすもうひとつの課題は、水流によってスラスターの動きがすでに誘発されているときに起動する必要性です。Elmo ドライブは、有害な電流スパイクを避けるためにドライブが既存の動きを補正する「ホットプラグ」などの高度なサーボ・アルゴリズムでこの状況に対処します。
海底 6kmに電力を供給
高水流に対する安定性を維持するために働く超高速スラスターにより、ROVは大きな出力を必要とします。この出力は、コマンドやその他のデータとともに、"アンビリカルコード "と呼ばれる一連のケーブルを介してオペレーターからROVに送信されます。アンビリカルコードのコアは、電力と信号用の銅導体と通信用の光ファイバーエレメントを組み合わせて構築されています。アンビリカルコードは長さが 6kmもあるため、大幅な電圧降下を起こしやすいのですが、ROVはより深い海域で活動するように設計されているため、メーカーは重量を減らしながら電力伝送を増やすという課題に直面しています。
コードの重さによるアンビリカルケーブルやROVへのストレスを軽減するため、通常、テザリング・マネジメント・システム (TMS) が船とROVの間に設置されます。TMSはROVから数百メートルしか離れていませんが、アンビリカルコードは船とTMS間の伝送の数キロメートルを占めています。TMSには降圧トランスが内蔵されており、オペレーター船からの高い交流電圧をROVで使用可能な低い直流電圧に降圧・整流します。ROVシステムが高圧交流、降圧交流、またはすでに整流された直流電力を必要とするかどうかにかかわらず、以下のドライブが使用できます。 Elmoのドライブは、どのような電力供給要件にも対応できます。
ケーススタディ：海面下 6000メートル
ヨーロッパを拠点とする遠隔操作探査機 (ROV) メーカーは、世界中で販売されているROVのモデルをすべて電動化することを決定しました。これらの水中探査機は、深海の石油掘削施設の保守点検から重要な海洋生物の調査まで、さまざまな用途に使用されています。世界中で 800台以上のROVが稼動しているこのメーカーは、この分野のリーダーであるだけでなく、水中技術の革新者としても知られています。全電動化を目指すにあたり、このROVメーカーは、ROVを推進、操縦、安定させるスラスターに出力を供給する駆動技術を必要としていました。
ROVのモデルによっては、スラスターにわずか 5kWの出力しか必要としないものもありますが、よりヘビーデューティなモデルでは、推力に 50kW近い出力を必要とするものもあります。しかし、ドライブに必要な要件は広い出力範囲だけではありませんでした。メーカーには、いくつかの制御関連の問題、サイズの制約、過酷な水中環境に対応できるドライブソリューションも必要でした。
広範な調査と製品テストの結果、メーカーは Elmo の Trombone サーボドライブが理想的なソリューションであることを発見しました。Tromboneのコンパクトンパクトな形状と高電圧能力は、メーカーの一見相反する要求を満たしました。各スラスターは小型の厚肉加圧チューブに溶接され、ドライブはチューブ内に取り付けられます。Elmo の Trombone サーボドライブは、スラスターの電圧要件を満たすのに十分強力で、しかもこの加圧チューブ内に収まるほど小型の唯一のドライブでした。また、チューブは完全に密閉されており、冷却を助ける空気の流れがないため、Trombone の高効率 (98％以上) も不可欠な機能であり、密閉されたチューブ内で発生する熱を最小限に抑えることができました。
ROVメーカーが直面するもう一つの重要な課題は、スラスター回転のオン・オフ切り替えで、特に水の力も要因になります。このメーカー最大のROVは、完全な 6軸制御を提供する 11種類のスラスターを使用して水中を効率的に航行します。しかし、ほとんどのROVの動きでは、すべてのスラスターを同時に作動させる必要はありません。オフになっているスラスターがオンになるよう指令されても、水流によってすでに回転している場合に問題が生じます。
モータがすでに回転しているときに (すなわち「臨機応変に」) モータをオンにするプロセスは単純ではありません。通常、モータ駆動が有効になると、初期値として 0Vのコマンドが設定されます。しかし、モータはすでに逆起電力 (モータの速度によって高い場合も低い場合もある) を受けて回転しているため、ゼロ・コマンドと潜在的に高い逆起電力との間の電圧降下は危険な場合があります。結果として生じる電流スパイクは、ドライブ電子機器に有害であり、最終的にはスラスタの完全な故障につながる可能性があります。Elmo の高度なホットプラグ動作アルゴリズム (図1) は、既存の逆起電力を事前に決定し、逆起電力を考慮して初期電圧コマンドを補正することでシステムを保護し、有害な電流スパイクの可能性を排除します。
図 1：ホットプラグなしの高電流スパイク（左）
ホットプラグ使用による危険な電流スパイクの回避（右）
メーカーが Elmo の Trombone サーボドライブを選んだもうひとつの理由は、その高電圧容量です。ROVは、上空の船の電源から最大 6kmの距離で稼働するため、送電は複雑な作業となります。
船内には発電機があります。発電機からの電力は、さらに 800Hzで 3000Vの三相という驚異的な電圧に昇圧されます。この非常に高い電力は、アンビリカルコード (ROVとオペレーター船をつなぐ一連のケーブル) を数キロメートルにわたって伝わり、テザリング管理システム (TMS) に送られます。アンビリカルコードの長さに沿って膨大な電圧降下が発生するため、ステップアップが必要となります。TMSステーション (ROV本体からわずか数百メートル) では、電圧が整流され、降圧される。500 ~ 800VのDCバスがROVに供給され、通常 船から 6km離れた場所に設置されます。Elmo の Trombone ドライブは、あらゆるモータに最大 800V DCを供給できる市場で数少ないドライブのひとつです。
Elmo の既製ドライブは、過酷な海底環境への対応から未知の水流に対する操作の課題の克服まで、ROVメーカーのさまざまな時には相反する要件を満たしました。Elmo の小型で高度なサーボドライブは、他の方法ではアクセスできない場所で遠隔操作する車両に不可欠な設置面積、堅牢性、信頼性を提供しました。
