サーボモーターとは、指示を出した通りに、位置／速度／回転力（トルク）などを正確に実現するサーボ機構に使用されるモーターのことです。そのため、サーボモーターとしての能力を発揮するためには、モーター以外に状態を検出する機器や、精密な制御する装置が必要となります。その分、ただ回転するだけの単純なモーターよりも、構成や制御が複雑となってしまいます。昔は、このような技術を実現するのに大変な苦労が伴いましたが、マイクロコンピューターなどの高度な技術が普及するようになり、思い通りの動作をさせることができるようになっています。
指示通りに動作するのは当たり前だと思われるかもしれませんが、仕様やコストなどを考慮して、モーターにあまり精密な動作が要求されないことも多いのです。家庭で使う電動ドライバーや簡単な玩具などは、一定の回転数さえ維持できれば大きな問題とならないことがほとんどです。
しかし、サーボモーターが使われるような時は、高速で精密な制御ができないと、装置の性能が条件を満たすことができず、本来の目的を達成できません。微細加工を行う半導体／液晶製造装置や複雑な動作をする産業用ロボットなどは、わずかなズレがあっただけ作業全てが台無しになってしまうので、サーボモーターの高精度な動作が必要になるのです。
ちなみに、サーボモーターのサーボは、ラテン語の「奴隷」を意味する言葉に由来します。まさに、指示通り忠実に動いてくれるモーターとして、サーボモーターは現代社会に欠かすことのできないものとなっています。希望する位置や速度や回転力を高精度で実現するサーボモーターは、高度な技術を結集したモーターなのです。
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減速機とモータが一体となったギアモータを商用電源で駆動する場合には、希望する機械の速度となるように減速比を選定する必要があります。
一方、適用機械をさらに最適な運転とするため、ギアモータを可変速駆動する場合が多くなっています。
ギアモータの可変速方法として、インバータによる周波数制御が一般的です。
インバータ駆動は、オープンループの制御ですが、速度フィードバックによる制御方法もあります。
サーボモータを含めたギアモータの制御について、説明してみたいと思います。
オープンループ
速度センサを用いずにインバータなどでモータ速度（周波数）を制御する方法です。
汎用インバータを用いて、ギアモータを可変速運転する場合、V/f制御（オープンループ）でギヤードモーターを運転すると、IE3モータでは 1：10の定トルク運転が可能となります。
高性能のインバータでは、センサレスベクトル制御が可能となります。
センサレスの意味は、速度センサのフィードバックがないことです。
ベクトル制御とは、誘導モータを直流モータのように励磁電流とトルク電流を演算して、電流の位相と大きさ（ベクトル）を制御する方法です。
ベクトル演算には、モータ定数が必要となるため、モータ定数が内蔵されたインバータを選定するか、オートチューニング機能を使用して、モータ定数を推定する方法があります。
この制御方式では200％程度の始動トルクが得られます。
モータ速度の検出が演算のため、速度フィードバック制御に比べ、負荷変動の影響を受けやすくなります。
速度フィードバック制御
エンコーダ（パルスジェネレータ）などの速度センサをモータに接続して、速度フィードバックを行うことにより、低速でも安定した速度制御が可能となります。
エンコーダのパルス数にもよりますが、速度制御範囲として、1：100以上となります。
エンコーダ付きのモータを、インバータ運転する場合、センサ付きベクトル制御と呼ばれます。
センサ付きベクトル制御は、インバータのオプションカードで対応できます。
エンコーダのパルス数は、制御性と経済性を考慮して、1000～2000パルス/回転のエンコーダが用いられます。
数十Wの小型ギヤモータでは、速度センサをタコジェネレータとし、専用コントローラでモータの電圧制御を行う方式があります。
この方式は、低速になると電圧降下の影響でトルクが低下してしまいますので、小容量のギアモータの適用に限定されます。
サーボによる速度・位置決め制御
インバータによるギアモータの可変速では、高速・高性能な用途には適用できないため、サーボモータとギヤを組み合わせることになります。
ロボット、工作機械などの用途では、精密ギヤと一体化させて駆動されます。
■ 速度制御
サーボの速度制御の範囲は、1：1000以上が要求されます。
サーボモータのエンコーダのパルス数は、2000パルス/回転以上が要求されます。
一般産業用で、可逆運転があまりなく速度の安定性と応答性を求めた速度サーボで使用される場合があります。
■ 位置決め制御
位置決め制御は、繰り返し精度を要求されるため、ローバックラッシの精密制御用ギアモータがサーボモータと組み合わせて使用されます。
ギヤのバックラッシが大きいと、サーボモータの応答が上げられず、所定の位置決め時間、精度が実現できくなるため、機械の仕様を確認しておくことがポイントです。
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○ギヤードモータの設置
ギヤードモータの回転方向は、結線で特定します。
○ギヤードモータの潤滑油
オイルを潤滑に使用しているギヤードモータでは、水平面に対して許容可能な傾斜角度が製品ごとに定められています。許容傾斜角度の範囲内で使用をしてください。グリース潤滑機種は、取付方向に制限はありません。
グリースやオイルは消耗品ですので、一定期間又は一定使用時間ごとの交換が必要です。高温場所や連続運転など過酷な使用条件では、交換時期の目安は1年間となります。
食品機械など油気への特別な配慮が必要な使用環境では、万一潤滑油が漏れても食品に混入しないよう、ギヤードモータの下部に油受けを取り付けて下さい。
○トップランナー規制へのメーカーの対応
ギヤードモータについても、各社がトップランナー規制に対応した製品を販売しています。代表的なシリーズ名などは、下記の通りです。
三菱電機は、「三菱プレミアムギヤードモータ」。
ニッセイは、GTRのシリーズ名で「高効率IE3ギヤモータ」と明記。
東芝産業機器システムは、「プレミアムゴールドモートル」。
住友重機械ギヤモータは、「プレスト NEOギアモータ」。
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○モータ出力の計算式
モータは、負荷に力を加えて回転させます。羽根やベルトを、その負荷となるトルクよりも大きいトルクを加えて回すのです。
モータの動力により、負荷が、Tトルク[N・m]の力を加えながら半径1[m]の円周を2π動いたとします。この1周で、モータは、円周の距離2π×T[J]の仕事をします。モータが1分にn回転[rpm]すると、1秒でn/60回転します。これらより、モータ出力P[W]は、次式になります。
モータ出力は、トルクに比例します。大きいトルクを必要とする場合には、モータ出力を大きくします。また、モータ出力は、回転数に比例します。このため、高速回転が必要な場合には、モータ出力を大きくします。
実際には、モータ出力は、トルクと回転数の積に比例しますので、低トルクで高速回転や、高トルクで低速回転の場合には、モータ出力は中程度で十分となります。
○所要動力算定式との関係
0.1047の逆数は、1÷0.1047で約9.5501となります。上式(1)のモータ出力をkWにするために、両辺を1000で割り、定数の0.1047を逆数として分母に移すと、次式になります。
モータ出力P[kW]＝(T×n)/9550 ※式(2)
これが、各社のモータカタログで一般化されているモータ出力の式で、式(2)と式(1)の示す関係は同一です。
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市場にはさまざまなステッピング・モータ・ドライバがあり、特定のアプリケーション向けにさまざまな機能を紹介しています。最も重要な特性には、入力インタフェースが含まれます。最も一般的なオプションは次のとおりです。
ステップ / 方向 ? ステップピンにパルスを送信することにより、ドライバはモータがステップを実行するように出力を変更します。ステップの方向は、方向ピンのレベルによって決定されます。
フェーズ/有効化 ? 固定子巻線の各フェーズについて、フェーズは現在の方向を決定し、フェーズがオンになっている場合は有効化をトリガーします。
PWM ? ローサイドおよびハイサイドFETのゲート信号を直接制御します。
ステッピング・モータドライバのもう1つの重要な機能は、巻線の両端の電圧、または巻線を流れる電流のみを制御できるかどうかです。
電圧制御では、ドライバは巻線の両端の電圧のみを調整します。発生するトルクとステップの実行速度は、モータと負荷の特性にのみ依存します。
電流制御ドライバは、生成されるトルク、したがってシステム全体の動的な動作をより適切に制御するために、アクティブコイルを流れる電流を調整するため、より高度です。
ユニポーラ / バイポーラモータ
制御にも影響を与えるモータのもう1つの特徴は、電流の方向をどのように変更するかを決定する固定子コイルの配置です。ロータの動きを実現するには、コイルに通電するだけでなく、コイル自体によって生成される磁場の方向を決定する電流の方向を制御する必要があります 。 ステッピング・モータでは、電流方向の制御の問題は2つの異なるアプローチで解決されます。
ユニポーラステッピング・モータでは、リード線の1つがコイルの中心点に接続されます 。これにより、比較的単純な回路と部品を使用して電流の方向を制御できます。中央のリード線 (AM) は入力電圧VINに接続されています。MOSFET 1がアクティブである場合、電流はAMからA+に流れます。MOSFET 2がアクティブな場合、電流はAMからA-に流れ、反対方向に磁場を生成します。上で指摘したように、このアプローチはより単純な駆動回路 (2つの半導体のみが必要) を可能にしますが、欠点は、モータで使用される銅の半分だけが一度に使用されることです。これは、コイルに同じ電流が流れることを意味します。 すべての銅を使用した場合と比較して、磁場の強度は半分になります。さらに、これらのモータは、モータ入力としてより多くのリード線を使用できる必要があるため、構築がより困難です。
バイポーラ・ステッピング・モータでは、各コイルには2本のリードしかありません。方向を制御するには、Hブリッジを使用する必要があります。図8に示すように、MOSFET 1と4がアクティブな場合、電流はA+からA-に流れ、MOSFET2と3がアクティブな場合、電流はA-からA+に流れ、反対方向に磁場を生成します。このソリューションには、より複雑な駆動回路が必要ですが、モータは使用される銅の量に対して最大トルクを達成できます。
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