ダイレクトドライブ対ギヤード回転サーボモーター: 設計上の利点の定量化: パート 1

学習目標

• 現実の回転サーボ システムは、技術的な制限により理想的なパフォーマンスには達していません。
• いくつかのタイプの回転サーボモーターはユーザーに利点をもたらしますが、それぞれに特有の課題や制限があります。
• ダイレクトドライブロータリーサーボモーターは最高のパフォーマンスを提供しますが、ギアモーターよりも高価です。

何十年もの間、ギア付きサーボモーターは産業オートメーション ツールボックスで最も一般的なツールの 1 つでした。ギア付きサーボモーターは、位置決め、速度マッチング、電子カム、巻き取り、張力調整、締め付けアプリケーションを提供し、サーボモーターの出力を負荷に効率的に適合させます。これにより、ギア付きサーボモーターが回転運動テクノロジーにとって最良の選択肢なのか、それとももっと良い解決策があるのか​​という疑問が生じます。

理想的な世界では、回転サーボ システムはアプリケーションに適合するトルクと速度定格を備えているため、モーターが大きすぎたり小さすぎたりすることはありません。モーター、トランスミッション要素、負荷の組み合わせは、無限のねじれ剛性とゼロのバックラッシュを備えている必要があります。残念ながら、現実の回転サーボ システムは、さまざまな程度でこの理想に達していません。

一般的なサーボ システムでは、バックラッシュは、伝達要素の機械的公差によって生じるモーターと負荷の間の動きの損失として定義されます。これには、ギアボックス、ベルト、チェーン、カップリング全体の動作損失が含まれます。機械の電源が最初にオンになったとき、負荷は機械的公差の中央のどこかに浮いた状態になります (図 1A)。

負荷自体がモーターによって移動される前に、モーターが回転してトランスミッション要素に存在するすべての緩みを吸収する必要があります (図 1B)。移動の終了時にモーターが減速し始めると、運動量がモーターの位置を超えて負荷を運ぶため、負荷の位置が実際にモーターの位置を追い越す可能性があります。

モーターは、負荷にトルクを加えて減速する前に、再び反対方向のたるみを吸収する必要があります (図 1C)。この動きの損失はバックラッシュと呼ばれ、通常は 1/60 度に等しい分角で測定されます。産業用アプリケーションでサーボとともに使用するように設計されたギアボックスのバックラッシュ仕様は、3 ～ 9 分弧の範囲であることがよくあります。

ねじり剛性は、トルクの適用に応じたモーター シャフト、トランスミッション要素、および負荷のねじれに対する抵抗です。無限に剛性の高いシステムは、回転軸周りの角度のたわみなしにトルクを負荷に伝達します。ただし、ソリッドスチールシャフトであっても、重い負荷がかかるとわずかにねじれます。たわみの大きさは、加えられるトルク、伝達要素の材質、形状によって異なります。直感的には、長くて細い部分は、短くて太い部分よりもより多くねじれます。このねじれに対する抵抗力がコイル スプリングを機能させるのです。スプリングを圧縮すると、ワイヤーが 1 回巻かれるたびにわずかにねじれます。太いワイヤーはより硬いバネになります。ねじり剛性が無限大よりも小さい場合、システムはバネとして機能します。これは、負荷が回転に抵抗するときに位置エネルギーがシステムに蓄積されることを意味します。

有限のねじり剛性とバックラッシュが組み合わされると、サーボ システムの性能が大幅に低下する可能性があります。モーターエンコーダーは、バックラッシュによって負荷が安定する場所ではなく、モーターのシャフトの位置を示すため、バックラッシュによって不確実性が生じる可能性があります。また、バックラッシュは、負荷とモーターの相対的な方向が逆転するときに、負荷がモーターに短時間連結したりモーターから切り離されたりするため、調整の問題も引き起こします。バックラッシュに加えて、有限のねじり剛性は、モーターと負荷の運動エネルギーの一部を位置エネルギーに変換し、後で放出することによってエネルギーを蓄積します。このエネルギー放出の遅れは、負荷振動を引き起こし、共振を誘発し、使用可能な最大調整ゲインを減少させ、サーボ システムの応答性と整定時間に悪影響を及ぼします。いずれの場合も、バックラッシュを減らし、システムの剛性を高めると、サーボのパフォーマンスが向上し、チューニングが簡素化されます。

回転軸サーボモータの構成

最も一般的な回転軸構成は、位置フィードバック用の内蔵エンコーダと、モーターの利用可能なトルクと速度を負荷の必要なトルクと速度に一致させるギアボックスを備えた回転サーボモーターです。ギアボックスは、負荷整合のための変圧器の機械的類似物である定電力デバイスです。

改良されたハードウェア構成では、ダイレクトドライブ回転サーボモーターを使用しており、負荷をモーターに直接結合することで伝達要素を排除しています。ギアモーターの構成では比較的小さな直径のシャフトにカップリングを使用しますが、ダイレクト ドライブ システムでは負荷をはるかに大きなローター フランジに直接ボルトで固定します。この構成によりバックラッシュがなくなり、ねじり剛性が大幅に向上します。ダイレクト ドライブ モーターの極数が多く、高トルクの巻線は、10:1 以上の比率でギア モーターのトルクおよび速度特性と一致します。