産業用サーボモータの種類、選び方、使いこなし方を解説

産業用サーボモーターの実際の仕組み

産業用サーボ モーターは閉ループ モーション コントロール アクチュエーターです。つまり、単に回転して最善の結果を期待するだけではありません。フィードバック デバイス (最も一般的にはエンコーダまたはレゾルバ) を介して自身の位置、速度、トルクを継続的に監視し、実際の出力を指令された目標と比較して、リアルタイムで偏差を修正します。この自己修正ループは、サーボ システムを、固定速度で開ループで動作する標準的な誘導モーターから分離するものです。

コア ループは次のように動作します。モーション コントローラーが位置または速度コマンドをサーボ ドライブに送信します。ドライブはそのコマンドを電力に変換し、モーターに供給します。モーターが動き、モーター シャフトに取り付けられたエンコーダーが位置データを送り返します。通常、最新の工業用エンコーダーでは 1 回転あたり数百万パルスになります。ドライブは受信したエンコーダ データを指令された位置と比較し、エラー信号を計算し、そのエラーを除去するために出力を調整します。これは毎秒数千回発生します。その結果、一般的な産業用アプリケーションでは、±0.01 度以内の位置決め精度と 1 ～ 3 ミリ秒の範囲の応答時間になります。

このアーキテクチャの実際的な結果は、負荷条件が変化しても産業用サーボ モータ駆動システムが指令された位置を維持できることです。加工スピンドルが切削中に抵抗に遭遇した場合、システムはステップを失ったり、予期せぬ速度低下を起こすのではなく、自動的に補正します。これはまさに、過負荷下のステッピング モーターなどの開ループ代替品で起こることです。

産業用サーボモーターの種類: AC、DC、ブラシレス

産業用サーボ モーターは、3 つの主要なテクノロジー カテゴリに分類されます。詳細な仕様に入る前に、違いを理解することで、適切なモーター タイプをアプリケーション要件に適合させることができます。

ACサーボモーター

ACサーボモーター は、現代の産業オートメーションで主流のタイプです。交流を使用し、ほとんどの場合ブラシレスです。つまり、ブラシのメンテナンスが不要で、耐用年数が長く、電気ノイズが低くなります。 AC サーボ モーターは、同期設計と非同期設計の両方で使用できます。ローターに永久磁石を使用した同期 AC サーボ モーターは、CNC 機械、梱包ライン、ロボット軸における精密モーション制御の標準です。ローターはステーターの回転磁界に合わせてロックし、極めて低い振動、高いトルク密度、優れた位置精度を実現します。非同期 AC サーボ モーター (誘導タイプ) は、精度は劣りますが、より堅牢で過酷な環境に耐え、絶対位置決めが必要ないコンベア、ポンプ、可変速ドライブなどの用途に適しています。

DCサーボモーター

DC サーボ モーター、特にブラシ付き DC 設計は、AC テクノロジーが成熟する前は業界標準でした。非常に速い応答、優れた低速トルク、簡単な制御を提供しますが、カーボン ブラシは定期的な交換が必要で、最大速度が制限され、近くの敏感な電子機器に干渉する可能性のある電気ノイズを発生します。ブラシ付き DC サーボ モーターは、改修状況、特定の実験室機器、およびメンテナンスフリーの動作よりもコスト効率が重要な用途で引き続き使用されています。現代の産業設備では、レガシーなやむを得ない理由がない限り、新しいブラシ付き DC サーボ モーターを指定することはほとんどありません。

ブラシレス DC (BLDC) サーボ モーター

ブラシレス DC サーボ モーターは、DC モーターの速度およびトルク特性と、AC ブラシレス設計のメンテナンス不要の動作を組み合わせたものです。電子整流機能を備えた永久磁石ローターを使用しており、機械的なブラシ整流子システムの代わりにホール効果センサーまたはエンコーダーが使用されています。 BLDC サーボ モーターは、高効率、高いトルク対重量比、および長い耐用年数を実現するため、スペースと重量に制限があるロボット工学、航空宇宙アプリケーション、外科用機器、およびコンパクトな自動化システムにおいて好ましい選択肢となっています。産業用ファクトリー オートメーションの場合、BLDC サーボ モーターと同期 AC サーボ モーターは性能の点でほぼ同等であり、アプリケーション レベルでの両者の違いは大幅に狭くなっています。

産業用サーボモーターのタイプの簡単な比較

産業用サーボモーターを選択する際に評価すべき主な仕様

サーボ モーターのデータシートには多くの数値が含まれているため、間違った数値に注目してしまいがちです。これらは、モーターがアプリケーションで確実に動作するかどうかを実際に決定する仕様です。

連続トルクとピークトルク

連続トルクとは、モーターが過熱することなく無限に維持できるトルクであり、長期的な熱性能を決定する数値です。ピーク トルクは通常、連続トルクの 2 ～ 3 倍であり、短い加速バースト中にモーターが供給できるトルクを表します。周期運動を伴うアプリケーションでは、運動プロファイル全体にわたる二乗平均平方根 (RMS) トルク要求を計算し、それが連続トルク定格を下回っていることを確認する必要があります。産業用サーボ モーターをピーク トルクまたはピーク トルクに近い状態で連続的に動作させると、サーボ モーターが過熱し、巻線の絶縁寿命が短くなります。実際的なルールとして、計算された RMS 要求を少なくとも 20 ～ 30% 上回るトルク マージンを考慮してサイズを決定します。

速度範囲

産業用サーボ モーターは 2 つの速度ゾーンによって特徴付けられます。1 つはフルトルクが利用できるベース速度以下の定トルク領域、もう 1 つはベース速度を超える弱め界磁領域で、速度が増加するにつれて利用可能なトルクは減少します。アプリケーションが高速で同時に高トルクを必要とする場合は、ピーク速度定格だけでなく、モーターの連続出力曲線が必要な動作点をカバーしていることを確認してください。産業用サーボ モーターの最大速度は通常 2,000 RPM ～ 6,000 RPM の範囲ですが、一部のコンパクトな高速設計では 8,000 RPM 以上に達します。

慣性と慣性マッチング

慣性マッチングは、サーボ モーターの選択において最も重要でありながら、最も見落とされがちな要素の 1 つです。慣性比 (反射負荷慣性をモーターローター慣性で割ったもの) によって、サーボ ループが負荷をどの程度適切に制御できるかが決まります。高性能アプリケーションの理想的な慣性比は 1:1 ～ 3:1 です。要件がそれほど厳しくないアプリケーションでは、最大 10:1 まで許容されます。 10:1 を超えると、負荷がシステム ダイナミクスを支配し、ドライブの能力に関係なく、サーボ ループの調整が困難になり、動作が遅くなったり、振動したり、不安定になったりします。慣性比が高すぎる場合は、多くの場合、遊星ギアボックスが解決策になります。5:1 ギアボックスは、反射負荷慣性を 25 分の 1 (ギア比の 2 乗) に低減します。これにより、整合性の悪い軸を適切に動作する軸に変換できます。

知的財産評価と環境保護

産業用サーボ モーターは、IP54 (防沫) から IP67 または IP69K (粉塵や高圧水噴流に対して完全に密閉) までの保護等級が用意されています。食品加工、医薬品製造、洗浄環境、または屋外設置の場合、IP 定格は交渉の余地のない仕様であり、二次的な考慮事項ではありません。ほとんどの標準的な産業用サーボ モーターは、デフォルトの定格として IP65 を備えています。一部のモーターでは、本体が完全に密閉されている場合でも、より定格の低いシャフト シールを使用しているため、シャフト シールを特に確認してください。

フィードバックデバイスの解像度

エンコーダの分解能は、サーボ ループがどの程度細かく位置を測定して修正できるかを決定します。最新の産業用サーボ モーターは通常、17 ビット (1 回転あたり 131,072 カウント) ～ 24 ビット (1 回転あたり 1,670 万カウント) の分解能を持つエンコーダを使用します。エンコーダの解像度が高くなると、低速の滑らかさが向上し、速度リップルが減少し、より緊密な位置ループが可能になります。ただし、これはドライブがフィードバック レートを処理でき、機械システムが十分な精度を備えている場合に限られます。ほとんどの標準的な CNC およびオートメーション アプリケーションには、20 ビットから 23 ビットのアブソリュート エンコーダが適切です。半導体装置、計測システム、光学位置決めなどの超精密アプリケーションには、より高い分解能と高精度のエンコーダが正当化されます。

産業用サーボモータードライブ: システムはモーターです

サーボ モーターは、そのドライブから切り離して評価することはできません。モーターとドライブは一体となってサーボ システムを形成しますが、互換性を検証せずに個別に指定すると、統合上の問題が発生し、試運転後に修正するのに費用がかかります。安川電機、ファナック、シーメンス、三菱、アレン・ブラッドリー (ロックウェル)、パナソニックなどの主要な産業用サーボ モーター メーカーはすべて、既知の互換性と最適化された自動チューニング アルゴリズムを備えた、適合するモーター ドライブ ファミリを製造しています。あるメーカーのドライブと別のメーカーのモーターを使用することは技術的には可能ですが、フィードバック プロトコルの互換性、電流ループの帯域幅、および慣性マッチング データに細心の注意を払う必要があります。

モーター仕様とともに評価すべき主なドライブ機能は次のとおりです。

• 制御モード: 位置、速度、トルク制御モードはさまざまな用途に使用できます。 CNC 軸は位置モードを使用します。スピンドル ドライブでは、多くの場合、速度モードまたはトルク モードが使用されます。ドライブがモーション コントローラーに必要なモードをサポートしていることを確認します。
• 通信インターフェース: 最新の産業用サーボ ドライブは、オートメーション プラットフォームに応じて、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、MECHATROLINK、または CANopen 経由で通信します。ドライブ ファミリを選択する前に、PLC またはモーション コントローラとフィールドバスの互換性を確認してください。
• 安全トルクオフ (STO): STO は、ドライブとモーターの間に完全なコンタクタを必要とせずに、安全イベント時にモーターから電力を除去する安全機能 (IEC 61800-5-2) です。現在の産業用サーボ ドライブのほとんどには、標準として STO が含まれています。安全カテゴリ3以上の非常停止回路が必要な機械の場合はご確認ください。
• 自動チューニング機能: 高品質の産業用サーボ ドライブには、機械的負荷の特性を評価し、初期 PID ゲインを設定する自動調整ルーチンが含まれています。これにより、要求の厳しいアプリケーションで手動による微調整が不要になるわけではありませんが、試運転時間が大幅に短縮されます。

産業用サーボモーターで使用されるエンコーダの種類

エンコーダはサーボ ループの感覚システムです。環境やアプリケーションに合わせて間違ったエンコーダ タイプを選択することは、現場でサーボ システムの問題が発生する最も一般的な原因の 1 つです。

インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダ

インクリメンタル エンコーダは、シャフトの回転に応じて一連のパルスを出力します。コントローラはこれらのパルスをカウントして、位置と速度を計算します。重大な制限は、停電時に位置データが失われるため、機械が起動するたびに原点復帰シーケンスが必要になることです。ホーミングが現実的でないアプリケーション（ホーミング中に落下する可能性のある垂直軸、年中無休で連続稼働する機械、またはホームポジションに簡単にアクセスできない軸）には、インクリメンタルエンコーダは適していません。

アブソリュート エンコーダは、すべてのシャフト位置に固有のデジタル コードを提供し、電源を入れ直した後でもこの情報を保持します。起動時に原点復帰は必要ありません。シングルターンアブソリュートエンコーダは 1 回転以内の位置を追跡します。マルチターンアブソリュートエンコーダ (ギア付きカウント機構またはバッテリバックアップメモリ​​のいずれかを使用) は、さらに総回転数を追跡します。垂直軸、ガントリー、または起動時間と位置決めの安全性が重要な機械を含む産業用途では、コストが高いにもかかわらずアブソリュートエンコーダが強く好まれます。

光学式エンコーダと磁気式エンコーダの比較

光学式エンコーダは、光源と、正確にエッチングされたパターンを備えたコード ディスクを使用して位置信号を生成します。最大 24 ビット以上の非常に高い解像度と優れた精度を実現しますが、光ディスクは油、冷却剤、微粒子による汚染に対して脆弱です。光学式エンコーダは、半導体製造、精密組立、医療機器などのクリーン環境に適しています。工業用機械加工、金属加工、または屋外用途では、保護手段が必要になるか、磁気代替品に置き換えられます。

磁気エンコーダは、ターゲット ホイール上の磁化された極パターンと、シャフトの回転に伴う磁場の変化を検出するセンサーを使用します。光学設計よりも解像度は低くなりますが、重工業環境で一般的な条件である汚染、湿気、衝撃、振動に対して高い耐性があります。 17 ビットから 19 ビットの分解能を備えた最新の磁気エンコーダは、光学技術が使用できない環境のほとんどの産業用モーション コントロール アプリケーションに適しています。

産業用サーボモーターのサイジング: 実践的なワークフロー

サーボ モーターのサイズを小さくすると、ストール障害、サーマル シャットダウン、生産中断が発生します。サイズを大きくしすぎると資本が無駄になり、慣性の不一致が増大し、制御ループの調整が難しくなる可能性があります。体系的なサイジング ワークフローにより、両方の問題が回避されます。

• ステップ 1 — モーションプロファイルを定義します。 完全な動作サイクルを確立します。つまり、サイクルごとの移動距離、加速時間と減速時間、等速期間、および滞留時間です。これを台形または S 字曲線の速度プロファイルとして表現します。このプロファイルは、すべてのトルクと速度の計算の基礎となります。
• ステップ 2 — 負荷慣性を計算します。 機械的負荷、カップリング、ギアボックス、ボールネジまたはベルト、および付属の工具など、モーター シャフトのすべての回転および平行移動コンポーネントの反射慣性を合計します。これは、モーターが各サイクルで加速および減速する必要がある合計負荷慣性です。
• ステップ 3 — 必要なトルクを計算します。 加速トルク (J_total × 角加速度)、摩擦トルク (ドライブトレインから測定または推定)、および重力トルク (非水平軸の場合) を決定します。これらを合計すると、加速時の最大トルクが求められます。熱サイジングの全サイクルにわたる RMS トルクを計算します。
• ステップ 4 — 慣性比を確認します。 総負荷慣性を候補モーターのローター慣性で割ります。高性能アプリケーションの場合は 3:1 以下をターゲットにします。中程度のダイナミクスの場合は 10:1 まで許容します。比率が 10:1 を超える場合は、ギアボックスを追加するか、より高い慣性モーターを選択するか、ソースでの負荷慣性を低減します。
• ステップ 5 — 速度要件を確認します。 必要なモーター速度 (あらゆるギア比を考慮) がモーターの連続トルク領域内にあることを確認します。高速と高トルクが同時に必要な場合は、その動作点でのモーターの連続出力曲線を確認してください。
• ステップ 6 — 安全マージンを適用します。 ピークトルクとRMSトルクの両方に少なくとも20～30%の余裕を持たせて最終的なモーターを選択してください。実際の負荷は、摩擦の変動、工具の変更、動的負荷の外乱により、理論上の計算を超えることがよくあります。

産業用サーボ モーター システムの PID チューニング

適切に適合したドライブを備えた適切なサイズのサーボ モーターであっても、制御ループが調整されていない場合は、パフォーマンスが低下します。 PID (比例-積分-微分) チューニングは、ドライブが位置誤差にどの程度積極的に応答するか、定常状態のオフセットをどのように除去するか、振動をどのように減衰するかを決定する 3 つの制御ゲインを調整します。

それぞれのゲインの役割

比例 (Kp) ゲイン 位置誤差に対する即時の応答を決定します。Kp が高いほど、より速く、より積極的な修正が行われることを意味します。高すぎるとシステムが発振します。低すぎると、応答が遅くなり、負荷がかかると位置誤差が大きくなります。振動の最初の兆候が現れるまで Kp を増加させることから始めて、その後約 20% 減少させます。

微分 (Kd) ゲイン 誤差の大きさではなく、誤差の変化率に応答して発振を抑制します。 Kp を設定した後に Kd を追加すると、不安定になることなくより高い比例ゲインが得られます。制御システムのショックアブソーバーと考えてください。 Kd が多すぎるとノイズが増幅され、高周波チャタリングが発生します。

積分 (Ki) ゲイン 時間の経過とともに誤差が蓄積され、比例制御だけでは完全に補正できない定常状態の位置オフセットが除去されます。 Ki を最後に少しずつ加えます。積分ゲインが大きすぎると、「積分ワインドアップ」と呼ばれる低速の低周波数発振が発生します。

実践的なチューニング指導

最新の産業用サーボ ドライブのほとんどには、測定された機械応答に基づいて初期ゲインを設定する自動チューニング機能が含まれています。自動調整は最終的な結果ではなく、出発点として使用してください。自動調整後は、ゆっくりとしたテスト動作だけでなく、実際の運用動作プロファイル (全負荷での高速サイクル) を使用してパフォーマンスを検証します。機械システムにコンプライアンスがある場合 (ベルト ドライブ、長いフレキシブル カップリング、または多段ギアボックス)、PID 調整だけでは除去できない発振を抑制するために、機械システムの共振周波数でノッチ フィルターが必要になる場合があります。高度なサーボ ドライブ ソフトウェア パッケージで利用できるボード線図解析は、機械的共振を特定して抑制する最も効率的な方法です。

産業別の産業用サーボモーターの用途

産業用サーボ モーターは、動作が正確で、再現性があり、高速である必要がある場合に使用されます。次の表は、最も一般的な産業用アプリケーション、それぞれの主な性能要求、および使用される代表的なモーター タイプをまとめたものです。

産業用サーボモーターのメンテナンスとトラブルシューティング

産業用サーボ モーターは長寿命を実現するように設計されており、適切に適用および保守されたシステムでは通常 20,000 時間を優に超えます。現場での障害のほとんどは特定可能な少数の原因によって発生し、そのほとんどは定期的なメンテナンスで防止できます。

最も一般的な故障モード

• 過熱: 巻線の絶縁劣化やモーターの早期故障の主な原因となります。過小なサイズ、冷却通気口の詰まり、過度の周囲温度、または繰り返しのデューティ サイクル違反が原因で発生します。通常動作中の赤外線熱画像は、予想よりも高温で動作しているモーターを故障が発生する前に特定する最速の方法です。
• エンコーダの障害: 光コードディスク上の汚れ（ほこり、油、冷却剤）は信号エラーの原因となります。機械的衝撃によりエンコーダベアリングが損傷します。繰り返しの屈曲や EMI によるケーブルの劣化により、断続的なフィードバック エラーが発生します。症状には、不安定な動き、追従エラー、位置ドリフトなどがあります。最初にケーブルのシールド接地を確認してください。EMI シールドが不十分であることが、産業環境におけるエンコーダ信号の問題の最も一般的な原因です。
• ベアリングの摩耗: 振動、騒音、消費電流の増加として現れます。モーターのシャフト定格荷重を超える高いラジアル荷重またはアキシアル荷重、位置ずれ、または故障したシャフト シールからの汚染物質の侵入が原因で発生します。メーカーが推奨する間隔で、または振動の傾向がレベルの増加を示した場合には、ベアリングを交換してください。
• 位置決めエラー: サーボ軸が指令された位置を失い始めたり、次のエラー障害が発生したりする場合、その原因は通常、エンコーダ校正ドリフト、フィードバック ケーブルの問題、または機械的条件の変化 (ギアボックスの磨耗、結合の緩み) による PID ゲインの低下です。エンコーダを再校正し、フィードバック配線を検査し、ドライブの自動調整機能を再実行します。
• 電気的故障: 湿気の侵入、バス上の電圧スパイク、またはドライブとモーター間のグランド ループによる絶縁破壊。モーター巻線の絶縁抵抗テスト (メガー テスト) を定期的に実行し、ドライブ バスのクランプ電圧保護が仕様の範囲内であることを確認します。

定期メンテナンスのチェックリスト

• ほこりの多い環境では、冷却フィンと換気口を毎月掃除してください。クリーンな環境で四半期に一度。
• 6 か月ごとにモーター シャフト シールとエンコーダー ケーブル コネクタに油や湿気の汚れがないか検査してください。
• 被駆動機械での機械的作業の後は、カップリングの位置合わせと締結トルクを確認してください。
• 消費電流とモーター温度を一定の間隔で記録し、時間の経過に伴う傾向を記録します。徐々に変化する場合は、計画外のダウンタイムが発生する前に、機械的または電気的問題が発生していることを示します。
• バッテリバックアップ式多回転アブソリュートエンコーダのバッテリ電圧を毎年確認し、バッテリが最小しきい値を下回る前に交換してください。エンコーダのバッテリが切れると、絶対位置基準が失われ、起動時に原点復帰エラーが発生します。
• モータ巻線の絶縁抵抗テストを毎年実行して、巻線の故障を引き起こす前に湿気の侵入を検出します。

産業用サーボ モーターとステッピング モーター: どちらを選択するか

予算が限られている低トルクから中トルク範囲のモーション制御アプリケーションでは、ステッピング モーターが産業用サーボ モーターの一般的な代替品となります。各テクノロジーが真に優れた選択肢であることを理解することで、過剰なエンジニアリングと過小仕様の両方を防ぐことができます。

ステッピング モーターは開ループで動作します。位置フィードバックなしで固定増分ステップで動きます。よりシンプルで安価で、ドライブのチューニングも必要ありません。これらは、軽負荷、低速、および時々ステップを外すことが許容される場合や、負荷条件が予測可能で一貫している場合のアプリケーションに適しています。この制限は、高速時（数百 RPM を超えるとトルクが急激に低下する）、変動負荷または衝撃負荷時（故障の兆候がなくてもステップを踏み外される可能性がある）、および高デューティ サイクルのアプリケーション（フィードバックがないと熱管理が困難になる）で現れます。

産業用サーボ モーター システムは、次のような場合に最適です。

• 変動する負荷の下での位置決め精度は必須です。サーボは外乱を補正します。ステッパーではできません。
• このアプリケーションでは、最大トルクで高速での動作が必要です。サーボ モーターは、広い速度範囲にわたって定格トルクを維持します。
• 動作プロファイルには急速な加速と減速のサイクルが含まれます。最新のドライブの回生ブレーキ機能により、サーボはこれをより効率的に処理します。
• 位置を間違えると、品質欠陥、機械のクラッシュ、または安全上の事象が発生する可能性があります。サーボ システムに障害が発生し、警告が発せられます。ステッパーは静かに位置を失います。
• デューティ サイクルは高く、連続的です。適切なサイズのサーボ モーターは、同等の出力電力のステッパーよりも低温で効率的に動作します。