モーターの仕組みは？

動作モード

サーボモータはクローズド・ループ・フィードバックで動作します。サーボ軸は、アプリケーションに応じてトルク、速度、位置、またはそれらのいくつかの組合せで制御ループを閉じることができる。ドライブモードと軸の動作モードは、アプリケーションによって要求されるモーションによって決定されます。

トルク・モードから始めよう。トルクはモーターの電流に比例する。ドライブはコントローラ信号を増幅し、モータを回転させる電流をモータに供給し、想定されるトルクを発生させます。トルクモードは、キャッピング軸やパンチプレスに最適です。トルク・ループは、モーター巻線内の誘導センシングによって閉じられます。アナログとデジタルのドライブがトルクモードで動作できます。

スピンドルや無人搬送車のようなアプリケーションで正確な速度制御を行うには、モータシャフトや負荷にエンコーダ、レゾルバ、ホール効果センサが必要です。デジタルドライブは、このデータを処理して速度ループを閉じることができます。アナログドライブも同じことができます。アナログドライブにはマイクロプロセッサがないため、タコジェネレータのようなアナログフィードバックが必要です。

第3の動作モードは位置モードで、ポイントツーポイントの移動と高度に同期化された位置決めを含む。位置モードにもフィードバックが必要です。モーションコントローラは位置ループを閉じます。アプリケーションによっては、位置ループを閉じるためにデジタルドライブがより理にかなっている場合があります。アナログドライブは位置ループを閉じることができないため、コントローラが必要です。

集中制御と分散制御

次に、マシンの全体的な制御アーキテクチャーによって運転の決定が下される。設計は何十年もの間、このアーキテクチャを踏襲してきた：PLCが機械のロジックとI/Oを処理し、専用のモーション・コントローラが動作軌道を計算する。現代の制御アーキテクチャは、より柔軟になりました。PCはモーションコントローラの役割を果たすことができます。多軸モーションは一部のPLCで処理できますが、高度に調整されたモーションには依然としてモーションコントローラが必要です。

一般的に、コントローラーやドライブなどのデリケートな電子部品は、各モーターまでケーブルが配線された空調管理されたキャビネットに組み込まれなければならない。集中型アーキテクチャは信頼性を低下させ、メンテナンスを増加させる。なぜなら、ケーブル配線は最も一般的な故障のポイントであり、接続に時間がかかり、エラーにつながるからだ。このため、配線が増え、コストが高くなります。デジタル・ドライブが代替案を提供します。

デジタル・ドライブの中には、モーション・コントローラを使用せずに、単独で経路計画を実行するのに十分な計算能力を持つものがあります。トルク、速度、位置のループを閉じることができます。分散制御のアーキテクチャは、使用される通信バスによって異なりますが、マスタースレーブやデイジーチェーン（リング）トポロジがあります。

モーター要件

オートメーションに一般的に使用される電気モーターには、同期回転モーター、リニアモーター（ACおよびDC）、ステッピングモーター、ボイスコイルモーター、AC誘導モーターなどがあります。可変周波数ドライブ（VFD）は、motion control提供するためにAC誘導モータに使用できますが、それはこのブログの一部ではありません。ここでは、同期モータとステッピングモータに使用されるドライブに焦点を当てます。

DCモーターは永久磁石ブラシ付きDC（PMDC）モーターとブラシレスDC（BLDC）モーターに分類される。ブラシ付きモーターは、モーターとの通信に機械的接点を使用します。単相モーターとして動作し、指定された電圧を供給するために必要な配線は2本だけです。

BLDCサーボモーターは一般に3相モーターである。4本の電線（各相1本とアース）が必要です。モーターが必要な方向に回転すると、ドライブは正しい順序で巻線に通電します。

すべてのアナログ・サーボ・ドライブがBLDCモータを駆動できるわけではないので、システムにBLDCモータが含まれている場合は、その機能を備えたドライブを選択してください。デジタル・ドライブははるかに柔軟性が高く、一般にブラシ付きDCサーボ・モーター、BLDCサーボ・モーター、さらにはAC同期サーボ・モーターを駆動できます。後者の場合、ドライブはPWMを使用してAC入力をDC出力に変換します。繰り返しますが、これは特殊な機能なので、選択するドライブがこの機能を持っていることを確認してください。

ステッピング・モーターはサーボ・モーターとは駆動要件が異なります。ステッピングモーターにはいくつかの異なる設計がありますが、市場で最も一般的なデバイスは2相モーターです。2相ステッピング・モーターを動作させるには、ドライブに4組のパワーFETが必要です。これらは4本の配線（A+とA-、B+とB-）とグラウンドで接続される。その結果、ステッピング・モーターは従来のサーボ・ドライブでは駆動できない。

モーターの種類ごとに専用のドライブが存在しますが、複数の種類のモーターに電力を供給するために使用できるハイブリッドドライブもあります。ハイブリッド・ドライブの場合、ドライブを適切に配線し、ソフトウェアで設定するだけでよい。

Elmo Platinum Bell Platinum Bell 、例えば2個のボイスコイルモーター、1個のブラシレスDCモーター、または2相ステッピングモーターに対応できます。

 

パワー

モータに電力を供給することは、ドライブの基本的な機能です。負荷を正確に位置決めするために、ドライブは必要な電圧と電流を供給し、モータがトルクと速度を発生できるようにする必要があります。ドライブを指定するには、モータのパラメータやアプリケーション要件だけでなく、ドライブ自体の電源も考慮する必要があります。システムの性能、信頼性、コストを最適化するには、微妙なアプローチが必要です。

 

出力パワーの指定

OEMがよく犯す間違いは、アプリケーションに合わせてモーターのサイズを決め、そのモーターを最高速度で運転できるドライブを購入することです。このアプローチは、システム性能を最適化できないだけでなく、エラーや早期故障の原因になることさえあります。非常に単純なシステムの場合、モーターを最大トルクまたは最高速度で運転すれば十分かもしれませんが、やはり全体像を見ることが重要です。

ドライブには最大電流の仕様がありますが、ほとんどの場合、短い間隔でピーク電流を超えることも可能です。これにより、モータとドライブの組合せで高トルクのバースト（過トルクまたは過電流モードとしても知られる）を生成できます。軸が主に低トルクで動作するが、時々高トルクのバーストが必要な場合は、小型で安価なドライブを購入し、それを過電流モードで使用してトルク・スパイクを提供することが可能な場合があります。ただし、このテクニックの適用には注意が必要です。ほとんどのドライブは、焼損せずにピーク電流を供給できるのは限られた時間だけです。例えば、モーターのピークトルクがドライブから10Aを必要とする場合、ピーク値の3倍または4倍でモーターを動かすには、ドライブから30Aまたは40Aを必要とします。これはすぐに問題になります。オーバートルクの継続時間と頻度を決定し、その機能を利用できるか、ドライブを大型化する必要があるかどうかをベンダーに相談してください。

ドライブへの入力電源

望ましいシステム性能を達成するには、ドライブに適切な入力電力を供給する必要があります。マシンには複数のパワーレールがありますか、それともマシンや設備の他の部分で決定されたハードウェアのために1つのレベルに固定されていますか？

バッテリー駆動システムには特別な注意が必要です。性能と、充電1回あたりの稼働時間を最大化することが重要な考慮事項です。結局のところ、自動誘導車（AGV）のようなポータブル・システムは、そのほとんどの時間を充電ベイで過ごすのであれば、あまり役に立ちません。最後の1ミリアンペア、最後の1ミリボルトの入力を節約することに重点を置いてください。高効率ドライブを選択し、可能であればオーバートルク技術を適用してドライブのサイズを最小化することで、電力を節約します。始動と停止、または逆転を伴う用途の場合は、回生ドライブを検討してください。

減速時、モーターは余剰電力を発生する。その余剰電力は取り除かなければならない。それは抵抗器を通して熱として放散することができる。電力を回収してバッテリーに戻すには、回生ドライブを使用します。ポータブル製品の場合、回生ドライブは大きな競争優位性を提供します。

電力密度と同様に、駆動装置が小型・軽量であればあるほど、ポータブル・システム全体も小型・軽量となり、動力車のサイクルタイムを大幅に向上させることができる。

システムに複数の動作軸が組み込まれている場合、バッテリーはすべてのドライブに供給することができます。このため、ドライブのサイズとバッテリ電圧のトレードオフが生じます。

バッテリの出力特性はそのライフサイクルによって変化し、24Vのバッテリが18Vや12Vに劣化してドライブの故障を引き起こす可能性があることを忘れないでください。すべてのドライブには最低動作電圧があります。バッテリ電圧がこの閾値を下回ると、ドライブは動作しなくなります。柔軟性、効果的な動作、さまざまな条件下での互換性を確保するために、動作電圧範囲の広いドライブを選択してください。システムが24 Vのバッテリで1000 RPMで動作するように設計されている場合、バッテリ電圧が18 Vに低下するとその速度を達成できなくなりますが、それでも動作します（コントローラが低速を受け入れるように構成されている場合）。