サーボモータとは

1960年代、安川電機は独創的なDCサーボモータを次々に生み出し、1983年にはACサーボモータを製品化し、モータ業界に新たな波を引き起こしました。そして30年以上経った今、FA(ファクトリーオートメーション)分野では100%近くACサーボモータが使われるようになりました。産業用ロボットの関節に使われているのも自社生産したACサーボモータです。(ステッピングモーター

一般のモータは負荷を回し続けて仕事をすることを目的としていますが、サーボモータは、負荷を回すこともさることながら、目標物に忠実にかつ素早く応答することを目的としています。ところで「サーボ」の意味をご存知でしょうか? その語源はラテン語のServus(英語のSlave:奴隷)からきています。奴隷は主人に忠実に従い、命令どおり動きます。サーボも物体の位置や速度や経路を思いどおりに制御することを目的としていますので、この言葉が使われ始めたのです。

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ステッピングモータの主な特性について

(1)ステップ角とステップ誤差ステップ角はステッピングモータの重要な性能指標であれ、サーボシステムの定位精度に影響するため、ステッピングモータを選んではステップ角によく選択する。ステッピングモ-ターの実際なステップ角と理論的なステップは誤差があるので、ステップ角誤差はステップごとに誤差の最大値である。ステップ角に影響する要因は歯と磁極の機械と装置精度である。ステッピングモータは電流を切るか通すことがステップ角を回転した始末だ。累積誤差は回転子が任意な位置から、任意のステップを経た後、回転子の実際な交角と理論的な交角の差の最大値だ。一廻りの累積誤差はゼロである。ステップ角誤差は理論的なステップ角の5%を占める。

(2)静態ステップ角の特性最大な静トルクはステッピングモータのある相を通電するときに、電磁モーメントを受ける回転子は静態なモーメントと呼ばれ、静止な状態にある。この時の回転子はモーメント輸出しない。もしモータのシャフトに負荷のモーメントを加えたら、回転子は一定の方向へ角度を回転した、一度不動にあり(安定な状態)、このモーメントが負荷モーメントと同じだ。回転した角度は失調角と言われる。

特性曲線の電磁モーメントの最大値は最大な静モーメントと呼ばれる。静態で安定な区域で、外モーメントを除いだあと、回転子は電磁モーメントの作用下で、やはり安定な平衡点に回復できる。最大静モーメントはステッピングモータの負荷な能力を受ける。最大な静モーメントが大きいほど負荷能力が強く、運行の快速性と安定性が良い。

(3)最大な起動モーメントモータの隣合う二相の静態ステップ角の特徴の曲線の交点は相応なモーメントが最大な起動モータである。外界の負荷が最大な起動モーメントを超える時に、ステッピングモータは起動できない。

4)最大な起動頻度は無負荷にあるときに、ステッピングモーターは静態な状態から起動してい、脱調がない状態に達し、正常に運行している最高周波数列を最大起動周波数と呼ぶ。それはステッピングモーターの快速な性能に属する重要指標である。一般的に言えば、負荷のモーメントと回転の慣性質量が増加していることにつれて、起動の周波数が下がる。

(5)連続に運行できる周波数ステッピングモータが最大な起動周波数の以下で起動したあと、輸入パルス信号の周波数が連続に上昇するときに、無脱調に運行できる最大輸入信号周波数は連続に運行できる周波数と呼ばれる。この周波数は,最大起動周波数よりもはるかに大きい。


出典:ステッピングモータの主な特性について

ステッピングモータとサーボモータの比較

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それぞれの特徴をしたところで、機能の違いを上表に示します。
表に示した機能の違いより、以下のことがいえます。

 

(1) 制御方式/停止精度に関して
オープンループ方式とクローズドループ方式を簡単に説明すると、エンコーダがなくフィードバックが無い制御がオープンループ方式で、エンコーダがありフィードバックがある制御がクローズドループ方式といえます。
実際には、アンプ内部のデバイス構成が違うなど回路的な違いもありますが、その辺は専門書を参考にして下さい。

 

続いて停止精度に関してですが、これは制御方式に大きく依存します。
サーボモータは停止中もエンコーダにより位置の監視を行えるため位置がずれた時には異常を発生させることができますが、ステッピングモータは停止中に位置がずれたことを認識できません。

 

(2) 実用回転数/トルク特性に関して
サーボモータは、低速域~高速域まで安定してトルクを発生させることができるのに対して、ステッピングモータは低速域でのトルクが大きいのですが、高速域になるとトルクが減少していくことがわかります。(Fig5)(余談ですが、ステッピングモータの特徴として、高周波数[高回転]でモータを始動させようとすると動作が開始しない脱調という現象が発生します。)
このことより、低速では高いトルクを発生させることができるステッピングモータが適しており、中速~高速ではサーボモータが適していることが分かります。

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(3) 駆動機構の影響
駆動機構は、稼動体が動くときの慣性力や摩擦力を受けます。精密な位置決め制御を行うためには、これらの力に影響を受けない程度の剛性が駆動機構に求められます。
サーボモータを使用した場合、駆動機構の剛性が不十分だとサーボモータ側の性能は発揮できません。


反面、ステッピングモータは機構部の剛性をあまり気にせずある程度バランスの取れた精度が期待できます。
また、価格の面ではサーボモータはステッピングモータに比べて非常に高価で、5倍以上の値段がします。

以上のことから、簡単な位置決めにはステッピングモータが、高速高精度な位置決めにはサーボモータが適しているわけです。

ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイド

ステッピングモーターを動ければ電子装置で駆動しておく。その装置はステッピングモータドライバである。ステッピングモータドライバは制御システムからパルス信号が大きくなってステッピングモーターを駆動していく。

ステッピングモータの回転速度はパルス信号の周波数と比例するから、ステッピングのパルス信号の周波数を制御したら、モータに精確に調速できる;ステッピングの個数を制御したら、モータに精確に定位できる。だから、典型的なステッピングモーターの駆動システムは3つの部分に分ける:

1.ステッピングコントローラ:マンマシンインタフェース、運動計画、I/O制御
2.ドライバ:パルス分配、電流が増幅する
3.ステッピングモーター:駆動負荷

以下ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイドが参考できる:
ドライバの給電電圧。ドライバの輸入電圧の高低はモータの高速性能を決める。給電電圧は高いほどモータが高速の時にトルクが大きくなり、高速で進歩また脱調を避けることができる。しかし、モータは高すぎたら、ドライバが過圧に保護をもたらし、発熱が多く、ドライバの損傷をするかもしれない。高圧で動く時に、モータには低速に動く振動が大きくなる。常規輸入電圧は24VDCや48VDCなドがある。

 

ドライバの電流。電流はドライバの駆動能力の悪さを判断する証とする。一般的に言えば、ドライバの最大定格電流はモータの定格電流を超えない。ドライバの輸出電流はモータのトルクを決め、電流の設定値が大きいほど、モータの輸出トルクが大きなる。しかし、電流に設定が大きすぎると、モータとドライバの発熱も深刻になる。普通な設定方法はステッピングモータを参考し、実際な応用で最適値はその基礎に少し調整している。ドライバの電流は主な規格が2.0A、3.0A、4.0A、6.0A、8.0Aなどがある。

 

ドライバの細分ステッピングモータドライバの動く模式はフルステップ、ハーフステップ、細分などに分ける。主な区別はモータコイル電流の制御精度である。ステッピングモータは低頻度に振動する特徴があり、細分という設置を通し、モータの低速に運行する平穏性が改善できる。


出典: ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイド

整流子型モータ

整流子型モータ(commutator motor)とは、ロータとして図1.12 に示す整流子型ロータを使う モータの総称です。現在でも大量に使われているのが、ユニバーサルモータ(交流シリーズ、交流直巻モータともいう)の名前で呼ばれるモータの類です。

ステッピングモーター )

主な用途は、電気掃除機、電動工具およびジューサーです。つまり、単相交流を電源として高速運転が必要な分野です。

ここでユニバーサル(universal)という言葉には、交流でも直流でも回転する(つまりは交直両用)という意味が込められています。

構造は、原理的には直流直巻モータと同じですが、交流の場合は次を考慮しなければなりません。

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斜溝(スキュー)型/直溝型
図1.12整流子型ロータ
巻線をもち複数の銅片で構成される整流子を備える。


①直流の場合はステータの磁束は一定でしたが、交流の場合には変動します。従って、変動する磁束によって発生する渦電流を、鉄心を絶縁積層して軽減する必要があります。

②電圧降下は直流の場合には抵抗による降下のみでしたが、交流では、電磁誘導による位相ずれも生じるため力率が悪化し、出力は減少します。

 

電源による交流モータの分類

(1)三相交流を利用するモータ(3相モータ)
電力会社が送・配電している100/200V、50/60Hzをそのまま、あるいはトランスを介して利用する場合と、インバータという電子回路を介して、周波数と電圧を可変・調整して給電する場合があります。


(2)単相交流を利用するモータ(単相モータ)
電源として家庭に配電されている100V 50/60Hzを利用します。ただし、コンデンサを使って、擬似的な2相交流にしてモータに供給する機種が多いです。そのほかにもいろいろな方式があります。


(3)特別な場合
3相以外の多相(2相、5相、7相)電源を利用することがあります。

ステッピングモーターのホッピングの周波数について

ステッピングモーターは感応モーターである。その原理は電子電路を通して、直流電流がタイムシェア給電になって、多相タイミングという方式で電流を制御する。その電流でステッピングモーターに給電しなければならず、ステッピングモーターは正常に動くことができる。ドライバはステッピングモーターにタイムシェア給電して、多相タイミングのコントローラである。では、以下はステッピングモーターのホッピングの周波数についてを紹介させていただきる。

 

ステッピングモーターのホッピングの周波数は高すぎない。これはステッピングモーターが起動したときに回転数がゼロになるためである。起動の過程中で、電磁モーメントは荷重のトルクほうがよりよい以外、また、転がる部分の慣性遮蔽にも打ち勝つため,起動時のモータの負荷は連続動作よりも重要である。

 

もし起動している時にバルスの周波数は高ければ、回転子の速度が固定子フィールドの回転の速度に追いつかなかったあげく、第一歩が完了した方位は平衡方位よりも遠く、今後、各歩で回転子速度の変化は多くないが、固定子磁場は依然としてパルスの周波数に比例する速度で前方へ転がるため、回転子と平衡方位の間隔はますます大きくなる。最後には回転子方位は安定区域の以外のところに落ち、歩みを乱すことまた振動の表象を呈するため、モーターが起動できない。

 

色々なステッピングモーターの発動の周波数が異なる。ミニなステッピングモーター及びステッピングモータドライバという工業自動化制御商品を注目する専門家とモータ技術士はモーターの釈明データによって、発動の周波数に断定するという主張している。多くの高発動周波数のモーターは二重電圧で発動の瞬間に高圧から低圧を変える。そして、ステップが小さいほど高周波数に発動し、効率が大きいほど高周波数に操作することに適する。正常に起動するため、起動周波数は高すぎなくて、モーターに起動されて、だんだん高周波数をあげていく。

 

出典:ステッピングモーターのホッピングの周波数について