ダイレクトドライブとギア付き回転サーボモータの比較：設計上の利点の定量化：パート1

学習目標

• 実際の回転サーボ 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を実現できません。
• いくつかのタイプの回転サーボモーターはユーザーにメリットをもたらしますが、それぞれに特定の課題や制限があります。
• ダイレクトドライブ回転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。

ギア付きサーボモータは、数十年にわたり、産業オートメーションのツールボックスにおいて最も一般的なツールの一つでした。ギア付きサーボモータは、位置決め、速度調整、電子カム、巻き取り、張力調整、締め付けといった用途に利用され、サーボモータの出力を負荷に効率的に調整します。そこで疑問が生じます。ギア付きサーボモータは回転モーション技術に最適な選択肢なのでしょうか、それともより優れたソリューションがあるのでしょうか？

理想的な回転サーボシステムは、アプリケーションに適したトルクと速度定格を備えており、モーターが過大にも過小にもならないはずです。モーター、伝達要素、そして負荷の組み合わせは、無限大のねじり剛性とゼロのバックラッシュを実現する必要があります。しかし残念ながら、現実世界の回転サーボシステムは、この理想を様々な程度で実現できていません。

一般的なサーボシステムにおいて、バックラッシュとは、伝達要素の機械的公差によって生じるモータと負荷間の運動損失と定義されます。これには、ギアボックス、ベルト、チェーン、カップリングにおけるあらゆる運動損失が含まれます。機械の電源投入時、負荷は機械的公差の中間付近で浮遊状態になります（図1A）。

モータが負荷自体を動かす前に、モータは伝達要素に存在するすべてのたわみを吸収するために回転する必要があります（図1B）。モータが移動の終わりに減速を開始すると、運動量によって負荷がモータの位置を超えて移動するため、負荷の位置がモータの位置を追い越すことがあります。

モーターは、負荷にトルクを加えて減速させる前に、再び反対方向にたわみを吸収する必要があります（図1C）。この運動損失はバックラッシュと呼ばれ、通常は1/60度に相当する分角単位で測定されます。産業用途でサーボと組み合わせて使用​​するように設計されたギアボックスでは、バックラッシュの仕様は3分角から9分角の範囲であることがよくあります。

ねじり剛性とは、トルクの適用に対するモーター シャフト、伝達要素、および負荷のねじれに対する抵抗です。無限に剛性のあるシステムは、回転軸の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、重い負荷がかかると、頑丈なスチール シャフトであってもわずかにねじれます。たわみの大きさは、適用されるトルク、伝達要素の材質、および形状によって異なります。直感的には、長くて細い部品は短くて太い部品よりもねじれます。このねじれに対する抵抗があるからこそコイル スプリングが機能します。スプリングを圧縮すると、ワイヤの各回転がわずかにねじれます。ワイヤが太いほど、スプリングは硬くなります。無限のねじり剛性より小さい値では、システムはスプリングとして機能します。つまり、負荷が回転に抵抗するため、位置エネルギーがシステムに蓄積されます。

有限のねじり剛性とバックラッシュが組み合わさると、サーボ システムのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。モーター エンコーダーはモーターのシャフトの位置を示すのであって、バックラッシュによって負荷が安定した位置を示すのではないため、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、負荷とモーターの相対方向が逆転するときに負荷がモーターに短時間結合したり分離したりするため、バックラッシュによってチューニングの問題も生じます。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えます。このエネルギー放出の遅れによって負荷が振動し、共振が誘発され、使用可能な最大チューニング ゲインが低下し、サーボ システムの応答性と安定化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てシステムの剛性を上げると、サーボのパフォーマンスが向上し、チューニングが簡単になります。

回転軸サーボモータ構成

最も一般的な回転軸構成は、位置フィードバック用のエンコーダを内蔵した回転サーボモータと、モータ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合わせるギアボックスです。ギアボックスは、負荷調整用の変圧器の機械的なアナログ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ます。この構成では、負荷をモーターに直接結合することで伝達要素が不要になります。ギアモーター構成では比較的小径のシャフトにカップリングを使用するのに対し、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は極数が多く、巻線トルクが高いため、10:1以上のギアモーターのトルクと速度特性に匹敵します。