ロボットの概念はすでに非常に広範です。この記事では、産業オートメーション分野で使用されるロボット関節用のサーボ モーターに焦点を当てており、サービス ロボット用の統合サーボ モーターについては説明しません。
産業用ロボットは、リニア ロボット（デカルト ロボットとも呼ばれます）、多自由度ロボット（多関節ロボットとも呼ばれます）{0}{1}{2}、並列ロボット（デルタ ロボットとも呼ばれます）、水平多関節ロボット（スカラ ロボットとも呼ばれます）に大別されます。- 「自動化セル」は、さまざまな種類の多関節ロボットアームと自動搬送装置で構成されます。機能の異なる自動化セルを連結して自動生産ラインを構成し、複数の自動生産ラインを組み合わせて自動化工場を構築します。
これらの産業用ロボットや自動化ユニットの中で、サーボ モーターは、制御コマンドに従って機械構造を正確、迅速、確実に位置決めする上で重要な役割を果たします。したがって、これらはコアコンポーネントとみなされます。
永久磁石サーボモータの基本概念
「サーボ」とは、制御コンピュータ システムからのコマンドを逸脱することなく実行する能力を指します。この概念は電気モーターや油圧に限定されません。これには空気圧システムも含まれており、このタスクを実行できるコンポーネントはすべてサーボ コンポーネントとみなされます。
電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械部品です。サーボ モーターは、モーション コントロール システムで使用するために設計された電気モーターであり、位置、速度、加速度、トルクなどの出力パラメータ-が制御可能です-。
サーボモータは制御仕様に基づいてさまざまな種類に分類できます。電源の種類により、ACサーボモータとDCサーボモータに分けられます。動作モードにより、リニアサーボモータと回転サーボモータに分類されます。リニアモーターはニュートン力を直接発生させますが、回転モーターは回転トルクを出力します。線形負荷を駆動するには、回転モーターには回転運動を直線運動に変換する親ネジなどの機械機構が必要です。
回転型ACサーボモータは、ロータの構造によりAC非同期サーボモータとAC同期サーボモータに分類されます。 AC非同期サーボモータの回転子はアルミまたは銅製の保持器で構成されており、保持器の回転速度は同期回転磁界に対して常に一定の速度差を保ちます。ベクトル制御技術により、DCモータと同等の高精度なトルク制御特性を実現します。ただし、このローターは高い慣性、良好な定出力特性、広い速度範囲を特徴としており、工作機械の切断や印刷機械の巻き取り/巻き戻し用途などの幅広い変動慣性負荷に適しています。-欠点は始動トルクが低く、電磁応答速度が永久磁石サーボモータに比べて劣ることです。電磁時定数は、永久磁石材料を使用した永久磁石モータに比べて約10倍です。さらに、電力密度が低くローターの寸法が大きいため、高ダイナミック サーボ アプリケーションには適していません。-
回転型AC同期サーボモータは、ロータに永久磁石材料を使用しており、励磁磁界を直接発生させます。モーターの磁界を確立するために励磁電流が必要ないため、高速な電磁応答が得られます。さらに、現在の希土類永久磁石材料の高エネルギー密度により、これらのモーターの高出力密度が可能になり、さまざまな性能特性を備えたサーボ モーターを設計する可能性が広がります。高い動的応答は、ローター慣性が小さい細身の設計、またはローター慣性が大きいコンパクトで堅牢な設計によって実現できます。希土類永久磁石材料の使用により、永久磁石モータはサーボ用途に最適な選択肢として確立されました。しかし、希土類永久磁石材料は依然としてサーボ モーターに使用されるすべての材料の中で最も高価な部品です。さまざまなメーカーが使用する材料の違いにより、製品の品質のレベルも異なります。 -高品質の永久磁石材料は 150 度を超える動作温度でも減磁しない可能性がありますが、低品質の材料はモーターの動作温度が 120 度未満になると減磁する可能性があります。永久磁石材料の品質は、サーボモータのさまざまな特性を直接決定します。
リニア サーボ モーターは、機械的な変換を必要とせずにニュートン メートルの力を直接出力し、非常に高い加速を可能にします。近年、技術の急速な進歩により、高性能工作機械の送り軸に広く使用されるようになりました。-ただし、産業用ロボットでは、その応用は特定のリニア ロボット アームに限定されており、この記事の焦点ではありません。この記事では、回転永久磁石サーボ モーターとその産業用ロボットへの応用に焦点を当てます。
永久磁石回転モータの構造
図1に永久磁石サーボモータの代表的な構造図を示します。包括的な概要を提供するために、この 1 つの図は永久磁石サーボ モーターの全体構造を明確に示すことを目的としています。実際、定格 15 kW 以下の低電力永久磁石サーボ モーターは、冷却に自然対流を利用できるため、冷却ファンが不要になります。これらのモーターはコンパクトで、取り付け脚が不要です。取り付けリングも不要です。端子箱をリード線用の航空コネクタに置き換えることで、すっきりとしたデザインになります。したがって、モータの外観は図 2(a) のようになります。モーターが非常に小さい場合は-1 kW 未満-、リード線用の航空コネクタも不要です。代わりに、ケーブルをモーターから直接延長することもでき、その結果、図 2(b) に示す構成になります。
図 1: 永久磁石サーボ モーターの概略図
図 2: 低電力永久磁石サーボ モーターの概略図-
このセクションでは、読者が電気モーターの原理を理解していることを前提として、ロボットモーターの特性に基づいて永久磁石サーボモーターと他のタイプのモーターの構造の違いのみを説明します。
ベアリング: サーボモーターの耐用年数はベアリングと密接に関係しています。ロボットの高い信頼性と耐久性の要件を考慮すると、ベアリングには少なくとも 30,000 時間の耐用年数を確保する必要があります。 1 日の労働時間を 8 時間とすると、ロボットの耐用年数は少なくとも 10 年になります。ベアリングは 6,000 rpm で断続的に動作できる必要があります。
固定子の積層と巻線: ロボット モーターには高い出力密度が必要であり、サイズを最小限に抑えて鉄損による発熱を抑えるために、積層材料は厚さ 0.35 mm 以下の冷間圧延シリコン鋼でなければなりません。-巻線は、16 kHz の可変周波数キャリア パルスに長期間さらされる-ことに耐える必要があります。-。故障を防止し、激しい dv/dt サージに耐えるためには、耐電圧定格は 2,500 V 以上である必要があります。
ローターの永久磁石材料: 永久磁石材料は、永久磁石サーボ モーターの中で最も高価な部品です。希土類元素の含有量が低い材料はキュリー点が低く、材料の安定性が劣ります。ネオジム-鉄-ボロン (NdFeB) 磁石を使用する場合は、UH42 グレード以上であることが望ましいです。また、ジスプロシウムなどの希土類元素の含有量にも注意が必要です。高温減磁耐性を確保するため、サマリウムコバルト（SmCo）磁石も中小型サーボモーターに広く使用されています。{{8}要約すると、サーボ モーターが通常の動作条件下で確実に耐減磁性を維持することが重要です。-そうしないと、ロボットの長期的な安定性は保証できません。-
シャフト シール: スムーズな動作を確保しながらオイルやゴミがモーターに入るのを防ぐために、モーターのシャフト端にシャフト シールを取り付けるのが標準的な設計手法です。ロボットでは、モーターを直接減速機に接続するために、サーボ モーターのシャフトに小さなギアがフライス加工されることがよくあります。高温とオイルがモーターに侵入する可能性があるため、マルチリップ-高温-シャフト シールが必要です。たとえば、ダブルリップのフルオロカーボンゴム製シャフトシールは、シングルリップのニトリルゴム製シャフトシールよりも信頼性が高くなります。ただし、コストの差は大きくなります。{6}}
ブレーキ：ロボットモーターにはブレーキが標準装備されています。ほぼ 95% のサーボ モーターにはブレーキが必要です。ブレーキを常に確実に作動させるには、-特に緊急停止時-にブレーキが確実に作動する必要があります。ブレーキには十分な安全率が必要であり、静トルクはモーターの定格トルクの約 1.5 倍です。頑丈なロボット モーターの場合、ブレーキの安全係数は定格トルクの 2.0 倍、さらには 2.5 倍に達する必要があります。-ロボットモーターのブレーキは安全ブレーキであり、常用ブレーキではないことに注意することが重要です。制御システムは、緊急停止中にサーボドライブのブレーキ回路が制動抵抗器を介して作動し、モーター速度がゼロに近づくとブレーキがかかるようにする必要があります。応答速度を向上させるには、電磁ばねブレーキよりも永久磁石ブレーキの方が優れています。
エンコーダ: エンコーダはモーターの後端に取り付けられており、モーター速度とローター位置のセンサーとして機能します。ローターの位置を測定し、サーボ制御、磁場位置決め、運動軌道計算のためにローターの実際の位置と速度に関するデータを制御コンピューターに提供します。ロボット モーター エンコーダは一般に高精度を提供しませんが、停電前の位置からモーターが確実に動作を再開できるように、複数回転の絶対位置測定をサポートする必要があります。-現在、ロボット モーター エンコーダの要件に対処するには 3 つの一般的なアプローチがあります。 1 つ目の方法では、単一回転の測定にはグレイ コードの光学式または磁気式エンコーダを使用し、複数回転の測定には機械式ギアを使用します。-このアプローチの利点は、測定精度が高いことです。停電後、モーターの動作位置はエンコーダーの機械的位置によって保持され、電源投入時に直接読み取ることができます。-ただし、エンコーダが厚すぎるため、限られた設置スペースでは長すぎるという欠点があります。 2 番目の方法では、光学式または磁気式のグレイ コード エンコーダを使用してシングル ターン データを保存します。一方、マルチ ターン データはバッテリ駆動の電子メモリを介して保存されます。-これによりエンコーダを非常に短くすることができ、外径60mm以下の小型サーボモータに最適です。欠点は、バッテリーの寿命が比較的短いことです。-通常は長くても 2～3 年ですが、場合によっては、わずか 1 年でバッテリーの交換が必要になることもあります。 3 番目の方法では、ロータリー変圧器を使用して、精度要件が低いアプリケーションの単一回転位置を測定します。一方、複数回転情報は、コントロール ボックス内のバッテリ駆動回路基板によって処理されます。-
ローターシャフトの伸び: 頻繁な正逆運転により、モーターはせん断力を受けます。したがって、シャフトの材質は 42CrMo 焼き戻し鋼であることが望ましいです。モーターがキーを使用して取り付けられている場合は、モーターの動的バランスと振れを効果的に低減するために、キーを完全に固定する必要があります。高速では、無負荷運転時のキー付きサーボ モーターと裸のシャフトとの振れの差は 9 倍も大きくなる可能性があります。-これは過小評価すべきではありません。
永久磁石サーボモーターの主要な伝達パラメータ
動作領域：モータが許容温度上昇を超えずに連続動作できる領域を連続動作領域と呼びます。連続動作ゾーンの外側で短期間の動作が許可される領域は、断続動作ゾーンと呼ばれます。{0}}動作ゾーンは、トルクと速度の 2 次元座標平面 - で表されます。
定格電力 PN: 連続動作ゾーン内でモーターが出力できる最大電力。
定格トルク MN: 連続動作領域内でモーターが定格出力を発揮するトルク。定格トルクの定義はメーカーによって大きく異なります。通常、対応する放熱条件が指定されています。国際的には、この定格は、規定の面積と厚さのアルミニウム製フランジにモータを取り付け、フランジ温度を規定の温度 20 度以下に維持して測定することを指定するのが一般的です。したがって、実際の運転では、モータは鋳鉄部品に取り付けられることが多く、夏季の温度は試験基準を超える可能性があります。余裕を持たずに使用すると、過熱や減磁の原因となります。中国の国家規格によって指定された周囲温度 40 度の標準条件は、中国の環境としては比較的合理的です。評判の良いメーカーは、規格に基づいて定められた定格値よりも一定の設計マージンを考慮して定格トルクを公表しているため、より安全です。
定格電流IN：定格トルクに応じた電流です。
定格速度 nN: モーターが連続デューティ サイクル内の定格トルクで動作できる最大速度。
連続ロック-ローター トルク MO: 連続デューティ サイクルでロックされたときにモーターが供給できる最大トルク。一般に、100 rpm 未満の速度はロックされたローターの動作範囲に入ると考えられます。{3}
連続ロック-ローター電流 I0: 連続ロック-ローター トルクに対応する電流。
ピークトルク Mmax: モーターが出力できる最大トルク。公称条件はメーカーによって大きく異なります。減磁電流に対応するトルクを指定するものもあります。このような仕様をピークトルクとして使用しないでください。機械設計者は、過剰な操作トルクによるモーターの減磁や故障を防ぐために、十分なマージンを考慮する必要があります。最大トルクがデューティサイクルに従って指定されている場合、それには工学的な参考値があります。 S3に従って指定されたピークトルク-10%は、最大のエンジニアリング基準値を持ちます。ロボットとしては十分な連続動作時間3秒の場合に許容される最大動作トルクと言えます。多関節ロボットの繰り返し過負荷は一般に2.0倍程度です。
ピーク電流 Imax: ピークトルクに相当する動作電流。
電気時定数 Te: 印加電圧に対する電流の応答速度を表す特性定数。これは、モーター端子間に固定電圧を印加した後、電流が最終電流の 1 - e^(-1) (約 63.2%) に達するまでに必要な時間として定義されます。サーボ モーターの電気時定数は、一般に固定子巻線のインダクタンスとその抵抗の比 (Te=L/R) として指定されます。これはサーボ システムの現在のステップ応答時間に関係しますが、必ずしもそれに等しいわけではありません。
機械的時定数 Tm: サーボ モーターの機械的時定数は、tm=R*J/Ke*Kt として定義されます。つまり、巻線抵抗、ローター慣性モーメント、モーター逆起電力係数、およびモーター トルク係数に関係します。駆動モーターの機械的時定数は、無負荷条件下でモーターがゼロ速度から定常状態速度の 63.2% まで加速するのに必要な時間とほぼ同等です-。-。サーボ システムでは、この定数はシステムの速度-ループ ステップ応答時間と数値的に同等になる場合があります。
逆起電力定数 Ke: -単位速度でモーターによって誘導される無負荷逆起電力-値。通常、これは 1000 rpm に相当する無負荷逆起電力を指します。単位は V/krpm です。-
トルク定数Kt：単位電流に対するモータの出力トルク。モーターの逆起電力係数 Ke- とトルク係数 Kt の関係は、一般に Kt=9.55 * Ke * 1.732 で与えられます。ここで、Kt の単位は Nm/A、Ke の単位は V/rpm、Ke=Kt です。ここで、Ke はラインバック-EMFを指します。
モーターの仕様に Kt および Ke パラメータが指定されていない場合、Kt は定格トルクと定格電流から導き出すことができます。次に、関係 Kt=9.55 * Ke * 1.732 を使用して、ライン逆起電力係数 Ke を次のように間接的に導き出すことができます。Ke=0.1047 * Kt / 1.732 (単位は V/rpm;あるいは: Ke=104.7 × Kt / 1.732 (単位は V/krpm または mV/rpm)。
電源電圧の制限により、モーターの逆起電力は通常、高い応答性を確保するために比較的低く設計されており、高速での十分な電圧降下を保証して適切な電流を得ることができます。ただし、電流が大きいとモーターの熱負荷が増加します。したがって、ロボットのモーターは、コンパクトなサイズ、高トルク、低発熱を実現するために、高い出力密度を必要とします。
ローター慣性モーメント J: モーターローターの慣性モーメント。ロボットのモーターの慣性モーメントは、ロボットの動作の安定性に直接影響するため、非常に重要です。これは、ロボットには多軸の調整が含まれる場合が多いためです。-たとえば、多関節ロボットの 2 番目の軸には、アームの伸縮時に発生する負荷慣性の大幅な変化に対応するために、大きな慣性を備えたモーターが必要です。
歯-スロット トルク: 永久磁石モーターの巻線が開回路になっているとき、-電機子コアのスロットにより、モーターの 1 回転中に周期的なトルクが生成されます。スロットは磁気抵抗が最小になる位置に揃う傾向があります。
過負荷容量: 指定されたピーク電流を超えることなく、指定された条件下で指定された期間にわたって指定された出力またはトルクを供給するモーターの能力。通常、ピーク電流と定格電流の比は電流過負荷係数と呼ばれ、ピークトルクと定格トルクの比はトルク過負荷係数と呼ばれます。一般にロボットのモーターは3倍程度のトルク過負荷容量を確保する必要があります。
最大速度 nN: 断続動作中にモーターが達成できる最高速度。最高速度の定義はモーターのメーカーによって大きく異なります。ロボット モーターの場合、指定される値は通常、実際の使用中に再現可能な動作が可能な最高速度を表します。最高速度では、対応する最大トルクが定格トルクの 2 倍を超える可能性があり、速度範囲全体にわたって加速応答性を確保します。