顧客は、メンテナンスの手間と機器の小型化、そして処理能力と機械のセットアップ時間の短縮を求めている。こうした要求に応えるため、機器メーカーは機械部品ではなくサーボ制御による動作方式を選択するようになっている。

動作制御は、機械の能力と限界を決定づけるものです。そのため、スループットと柔軟性を最大化し、メンテナンスを削減するには、多くの場合、機械内の動作制御方法をアップグレードする必要があります。従来の制御設計や装置からサーボ制御に移行する主な理由は、以下の利点の1つ以上を得るためです。

・スループットの向上。サーボモーターは高い加速度と速度を実現します。
・精度向上。サーボモーターは、高速で移動する部品を加工するために必要な高い精度を提供できます。
・柔軟性の向上。サーボモーターは、従来機械式だった部品を電子化したものです。例えば、電子カムプロファイルはほぼ瞬時に変更できます。プログラム可能なモーションプロファイルは、製品のサイズや形状の変化に合わせて調整可能です。電子ギア比は、機械の速度に合わせて変更できます。また、電子ギアリングにより、長いシャフト、ギア、ベルトが不要になるため、モーターを用途に合わせてどこにでも設置できます。

さらに、1本の電気式「ラインシャフト」は、ほぼ無制限の数の軸に接続できます。複数の構成を持つ機械の場合、これは追加の動作軸に機械的な連結機構を追加する必要がないことを意味します。

サーボは、利用可能な情報が増えるため、柔軟性も向上させます。たとえば、多くのサーボコントローラは、トラブルシューティングに役立つ故障やエラー状態の履歴を保存します。ほとんどのサーボシステムは、パフォーマンス分析のためにオシロスコープスタイルの図を表示することもできます。 • メンテナンスの削減。サーボは、機械の機械部品の数を減らすのに役立ちます。電子ギアはベルトに取って代わります。電子カムは摩耗の影響を受けません。電子リミットスイッチは、定期的な再調整や交換を必要としません。

サーボにはある程度の学習と経験が必要です。サーボ制御が初めての場合は、最初のシステムを選択して適用するのに時間がかかることを覚悟してください。（サーボ用語に関する注記：コントローラーという言葉にはいくつかの用途があります。システムまたはモーションコントローラーは通常、動きを制御するプログラムを実行します。モーターコントローラーは1つを制御しますモーター（混乱を避けるため、モーターコントローラーをドライブと呼ぶことにします。）

アプリケーションのサイジングと選択

サーボコンポーネントの選定とサイズ決定は、モーター、ドライブ、コントローラー、そして産業用PCやPLCの可能性など、コンポーネントの数が多いため複雑に思えるかもしれません。機械工学のバックグラウンドをお持ちの方にとっては、これは少々気が重い作業かもしれません。幸いなことに、コンポーネントサプライヤーや制御システムインテグレーターといった企業は、これらのコンポーネントをパッケージ化し、アプリケーションに関するサポートも提供しています。自分で選定する場合でも、パッケージを購入する場合でも、基本的な手順は以下のとおりです。

まず、モーターを選択します。モーターの選定は、まずモーターの形状から始めましょう。アスペクト比の大きいモーター（縦長で直径が小さいタイプ）が最も一般的です。これらは正方形または円形があり、優れたコストパフォーマンスと性能を提供します。ディスク型モーター（縦長で直径が大きいタイプ）は狭い場所にも設置でき、ローターの慣性が低いため高い加速性能を発揮します。これらのモーターはどちらも密閉型と非密閉型があります。

フレームレスモーターまたは一体型モーターは、回転子と固定子を分離して機械に組み込む構造になっています。これらのモーターはコンパクトな設計を可能にし、精度向上と振動低減によりダイレクトドライブ動作を強化します。

従来の回転モーターとその駆動機構に代わるリニアモーターは、直線運動を直接生み出します。これにより、処理能力と精度を同時に数倍向上させることができます。

モーターのサイズ選定モーターのサイズは主にトルク（最大トルクと連続トルク）に基づいて決定されます。モーターのサイズ選定は難しく、開発サイクルの後半になるまで間違いが見つからない場合もあります。その段階でモーターのサイズを大きくするのは困難なため、計算には余裕を持たせておくのが賢明です。このプロセスに慣れていない場合は、モーターメーカーのアプリケーションエンジニアに相談することをお勧めします。

フィードバックを選択してください最も一般的なフィードバックデバイスは、エンコーダとレゾルバです。エンコーダはパルス列を生成する光学デバイスです。パルス数は角度移動量に比例します。エンコーダは、特に高分解能において高い精度を提供します。レゾルバは、モーターの1回転以内の絶対位置を検出する電気機械デバイスで、堅牢性に優れています。用途に最適なものをお選びください。

フィードバックセンサーの種類を選択したら、次にその分解能を選択する必要があります。一般的に、1,000ラインエンコーダー、または同等の12ビットレゾルバで十分な分解能が得られます。どちらも1回転あたり約4,000種類の異なる位置を生成し、これは約0.1度の分解能に相当します。ただし、アプリケーションでより高い分解能が必要な場合は、適切なセンサーを選択する必要があります。注意点として、分解能と精度を区別してください。多くのサーボはレゾルバフィードバックの分解能を選択できますが、精度（通常10～40分角）は影響を受けない場合があります。

ドライブを選択してください電源ユニットをモジュール式（別体）にするか、ドライブに内蔵するかを検討してください。同じシリーズのドライブが3台以上近接している場合は、モジュール式電源ユニットが適しています。軸が1つの場合は、内蔵型電源ユニットの方が一般的に設置しやすいです。軸が2つの場合は、どちらのソリューションもほぼ同じです。

ドライブを筐体に収める予定がある場合は、ドライブのサイズが大きく異なるため、機器全体のサイズに影響する可能性があることに留意してください。筐体のサイズによっては、さまざまな冷却方法を検討する必要があるかもしれません。

正弦波整流と6ステップ整流の比較

ブラシレスサーボモーターの場合、駆動装置からモーターへの電力波形は、6ステップ方式と正弦波方式の2種類に分けられます。正弦波方式では、駆動装置によって生成される電流波形が正弦波に近似します。これにより、トルクがより滑らかになり、発熱も少なくなります。一方、6ステップ方式は、シンプルな電子回路を用いて6セグメントの矩形波を生成します。6ステップ方式はコストは低いものの、低速域での動作が不安定になるという欠点があります。

チューニングの柔軟性フィードバックループのゲインを選択するチューニングは、高性能を実現し、安定した動作を維持するために不可欠です。かつては、チューニングは科学というより芸術に近いものでした。しかし現在では、最新のサーボドライブは、機械設計者を支援する様々なツールを提供しています。ドライブが機械システムを励起し、ループゲインのセットを生成するオートチューニング（またはセルフチューニング）は、ほぼ標準機能となっています。ほとんどのドライブはデジタルゲインで設定されているため、はんだごてやポテンショメータ（小型ドライバー）は必要ありません。より複雑な方法が必要になるのはごくまれかもしれませんが、それらが利用できることで、より多くの選択肢が得られます。

アナログ駆動方式は安価ですが、ポテンショメータを調整したり、受動部品を変更したりしてループを調整する必要がある場合があります。どちらを選択するにしても、チューニングは習得すべきスキルであり、ある程度の学習と試行錯誤が必要です。

コミュニケーションを推進する多くの駆動装置は、速度とトルクの指令を伝達するためにアナログ信号を使用します。しかし、デジタル通信は通信配線を削減し、システムの柔軟性を高めるため、普及が進んでいます。多くの駆動装置は、DeviceNet、Profibus、そしてモーションコントロール専用の新しいネットワークであるSercosなどのネットワークと互換性があります。

電圧工場現場では110Vac電源の入手が難しい場合があることに注意してください。ヨーロッパでは460Vacが一般的です。230Vacドライブを使用する場合、海外で使用する機械には変圧器が必要になる場合があります。残念ながら、460Vacドライブは高価になることがあります。妥協案として、パワー半導体を使用して電圧レベルを変換するユニバーサル電源があります。モジュール式電源を備えたシステムでは、1つのユニバーサル電源で230Vacから480Vacまでの任意の電圧を使用して、複数の230Vac軸に電力を供給できます。

最後に考慮すべき点として、機械で使用するドライブの種類を少数に絞ることで、スペアパーツのリストを簡素化できます。

コントローラーを選択してください

コントローラを選択する際は、単軸タイプか多軸タイプかを選択してください。単軸コントローラは、モーションコントローラ、ドライブ、そして多くの場合電源が一体化されたパッケージです。1軸または2軸システムでは、これらのコントローラを使用することで、コスト、サイズ、配線、およびシステムの複雑さを軽減できます。

多軸コントローラは、より複雑なシステムに適しています。まず、軸数が増えるにつれてコスト削減につながります。次に、1つのプログラムで全ての動作を制御できるため、システムの複雑さを軽減できます。また、これらのモーションコントローラは、通常、任意の軸を他の任意の軸にリンクさせることができ、プログラム実行中にそのリンクを変更できるため、同期の柔軟性も向上します。

コントローラを選択したら、「ボックス型」または「ボード型」のいずれかの構成を選択する必要があります。ボックス型は、スタンドアロン動作が可能な密閉型コントローラです。ボード型コントローラは、産業用コンピュータに接続して使用します。既に機械に産業用コンピュータが搭載されている場合は、互換性のあるボードを使用することでコストを削減し、制御と機械の統合を強化できます。産業用コンピュータを使用する予定がない場合は、通常、ボックス型コントローラの方が簡単に追加できます。

機能セットを評価する

最後に、コントローラの機能を評価します。これまで説明してきた機能、すなわちギアリング、カム、高速位置合わせ、プログラマブルリミットスイッチなどを検討してください。ほとんどのコントローラは何らかの形でこれらの機能を提供していますが、具体的な内容はアプリケーションのニーズと比較する必要があります。動作中にギア比を変更する必要がありますか？動作中にカムプロファイルをリアルタイムで変更する必要がありますか？どの程度の位置合わせ精度が必要ですか？動作中に速度や目標位置を変更する必要がありますか？コントローラはこのアプリケーションに必要な軸数を十分にサポートしていますか？将来のバージョンのマシンにも対応できますか？

コストへの対処

サーボ部品のコストは、交換対象となる機械部品のコストよりも高くなる場合が多い。しかし、いくつかの重要な要素によって、このコスト増は相殺される。例えば、複雑な機械装置を排除することで、総コストと機械のサイズを削減でき、システムの価値を高めることができる。サーボコントローラはPLCを置き換えることが多く、この場合、サーボへの変換コスト全体を相殺できる。柔軟性の向上により、機械モデルの数や、機械生産に必要な工程数を削減でき、製造コストの削減につながる可能性がある。

一般的な考慮事項

動作機能以外にも、検討すべき点がいくつかあります。その言語は、あなたのプロセスをサポートできるでしょうか？習得に膨大な時間を費やすほど複雑ではないでしょうか？その製品はマルチタスクに対応していますか？マルチタスクとは、異なるプロセスに対して異なるプログラムを作成できる技術であり、複雑なマシンのプログラミングを簡素化します。

これらの質問すべてに答えるのは難しいかもしれません。特に、電子モーションコントロールに不慣れな場合はなおさらです。コントローラーを提供している企業のほとんどは、優れたサポートを提供しています。選定プロセスでは、多くの質問をしてください。これは製品の評価に役立つだけでなく、サポート体制の評価にも役立ちます。最後に、自社の将来の開発活動について考えてください。現在だけでなく、今後数年間にわたって製品とサポートを提供できるベンダーを選びましょう。