インモコ

Oct 13, 2023

INMOCO の Gerard Bush が、高精度モーション アプリケーション向けのモーター選択の原則について説明します。

ロボットのジョイントから遠心分離機に至るまで、OEM アプリケーションの正確なモーション制御を確保するには、モーターの選択が重要です。 サーボ モーターやステッピング モーターなどの一般的な選択により、特定のブラシレス DC 設計も設計の統合を最適化できます。 テクノロジーの選択は、機械設計の統合だけでなく、運動学的応答の速度から慣性までにわたるパラメーターの理解に依存します。

機械設計用にモーターを選択する場合、それが精密な制御を必要とするものであっても、最初に考慮すべき点は速度とトルク特性に基づいています。 ロボット関節制御などのアプリケーションでは、位置と制御速度に関連する運動学的精度も基本です。 速度とトルクの要件が計算されていれば、慣性加速度とともにこれらの基準をモーター メーカーの仕様から選択できます。

ただし、多くの場合、プロトタイプの機械アセンブリがテストされるまで、正確なシステム電力と精度の要件を計算することはできません。 一方、最初のモーターの選択は、同等の機能を持つ従来のマシンで使用されているモーターに関する固有の知識に依存することも、プロトタイピング中にモーターのサイズを大きくし、後で正確な要件がわかったときに小型化することもできます。

速度制御

ステップ モーターは、コスト面での優位性があるため、精密制御用のモーターを指定する際に最初に考慮されることがよくあります。 ただし、ステップ モーターは極数が多いため最大速度が制限されるため、その適合性は速度要件によって異なります。 ただし、高いトルク密度が必要な場合、これはサーボと比較して利点となります。 ステッパーは多くのアプリケーションに十分な位置決めを提供できますが、精度はステップ モーターの定格トルクの比率としてのシステム負荷に依存します。 10% の負荷では、位置誤差は全ステップの約 1/4、つまり 0.5° です。

あるいは、サーボ モーターを使用すると、最大速度がさらに速くなります。 5,000 RPM を超える高速アプリケーションでは、通常、遠心分離機などの外部負荷を使用せずにバランスのとれた慣性で回転させます。 システムが加速すると、ラジアル軸受力が主要な軸受荷重となり、その影響はシステムの偏心に比例します。 トルク要件の範囲を決定するためにラジアル軸受力のモデルを生成することは、通常、プロトタイプ テストの機能です。

代わりに、関節ロボット アームのジョイントを制御する場合など、サーボ モーターがアンバランスな慣性で加減速する場合、慣性特性がモーターのトルク要求を支配します。 プロトタイピングのトルク要件は、ロボット/負荷システムの慣性および運動学的特性を備えたモデルから推定できます。

位置制御

制御精度の点では位置フィードバック付きサーボモータが最適です。 ほとんどの場合、サーボは +/- 10 エンコーダ カウント以内に安定しますが、これには十分な位置分解能を備えたエンコーダも必要です。 サーボモーターの応答も重要です。 理論的には、モーターの運動学的応答はトルクに対して線形であるはずですが、静止摩擦により、動作の開始時と停止時に線形応答が不可能になります。 したがって、高精度システムには、この影響を制限するように設計された追加の特殊な機構が必要です。

ブラシレス DC モーター (BLDC) は、フィードバック デバイスと組み合わせて位置制御に使用することもできます。 エンコーダを追加すると設置面積とコストが増加しますが、BLDC モータはサーボよりも効率が高く、より高いトルク密度を実現します。 また、機械設計を支援する、よりシンプルで柔軟な統合アプローチも可能になります。 フレームレス BLDC モーターは中空シャフトを持つことができるため、コンポーネントをモーターの中心に配置することができ、その設計により設置面積と重量も節約されます。 これらのモーターは多くの場合、トランスミッションを必要とせずに負荷に接続する直接駆動型であり、高ダイナミックかつ高速動作を実現します。

イナーシャマッチング

どのようなモーター技術を選択する場合でも、応答時間を最適化し、振動などの動作上の問題を防ぐには、モーターとその負荷の慣性を一致させることが重要です。 小型モーターの利点を活かして大きな慣性比を動作させながら、トルク/速度要件を満たせることが可能です。 ただし、これにより電力入力の要求が増大するため、より高い周波数でモーターの発振を引き起こす可能性のある機械的不安定性を回避するには、慎重な選択が不可欠です。

最終的に、モーター仕様の最適化には、アプリケーションの特性を完全に理解する必要があります。 INMOCO のエンジニアは、OEM が要件に最適なソリューションを特定できるよう支援します。 INMOCO のアプリケーション スペシャリストは、さまざまな種類のモーターを提供するだけでなく、Performance Motion Devices のエンジニアと協力して業務を行っています。 PMD

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