サーボモータは、産業機械やロボットなどのファクトリーオートメーションの分野で多数使用されており、なくてはならない部品です。サーボモータの選定方法を知ることは、生産技術の業務などを行う場合に 最も基礎的な知識となります。
このページではサーボモータの選定はどのように行うのか？ に焦点を当てて解説します。初心者の方にも分かるような入門編です。
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サーボモータは、高精度な動作を実現するために、エンコーダでモータ自身の現在位置を検出し、常に指令とのズレが出ないようにフィードバック制御するのが特徴です。サーボシステムの基本構成は、指令信号を出す上位コントローラ、指令通りにモータを動かすように制御するサーボアンプ、必要なトルクを出力するモータ、現在の位置を検出してサーボアンプにフィードバックするエンコーダの4つで構成されています。
サーボモータを選定するには、まずサーボアンプをどのタイプにするか決めてから、モータの品番を限定します。上位コントローラからサーボアンプへの指令入力に何を用いるか、例えば、パルス列入力なのか、ModbusやEtherCATなどのネットワーク通信入力なのかを先に決定します。また、サーボアンプは、位置制御、トルク制御、フルクローズ制御など制御方式によって使用できるタイプが異なります。指令入力の種類と制御方式によって、サーボアンプのシリーズを決めていきます。
サーボアンプのタイプが決まったら、次はモータの出力容量です。モータの出力容量とは、そのモータができる仕事の大きさのことで、例えばモータ出力容量が大きいと、それだけ重いものを動かすことができます。モータの出力容量はモータの軸に繋がっている負荷に応じてその大きさが決まります。この負荷の大きさを検討するために選定計算を行います。
サーボモータの容量は装置が正しく動作するために適正な容量計算により、適切なモータを選びます。ほぼ計算通りになるので過大な余裕は不要で、コスト的にも適正な選定ができます。
さらに、「大は小を兼ねる」とは必ずしも言えません。
例えば、大きなモータを選んでしまい、小さな負荷を動かすのに、モータが扱える電流に対して相対的にモータの電流が小さすぎたり、イナーシャが小さすぎると制御しにくくなることがあります。
選定の概略を説明してきましたが、実際にモータを選ぼうとするとトルク計算やイナーシャ計算など大変手間がかかります。簡単にサーボモータの容量選定を行なうために、選定ソフトというものがあります。
パナソニックインダストリーのサーボモータ選定ソフトウェアでは３つのステップで誰でも簡単に選定を行うことができます。
モータ選定の流れは、まずサーボモータを取り付ける機構を決定します。例えば、プーリとベルトで回転を伝える機構、上下に動かすカムを使った機構などがあります。モータ軸に連結される要素から順に、機構要素を選択します。機械にかかる摩擦や減速機なども考慮します。そして、各機構要素の実際の数値を入力します。
次に、想定されている運転パターンを入力します。
加減速時間、一定速時間、停止時間、サイクル時間、移動距離を考えて、運転パターンを決定し入力します。運転パターンは、モータの容量選定を大きく左右します。入力方法は「速度・回転数基準」と「絶対位置基準」があり、S 字加減速の有無なども設定可能です。
機構要素と運転パターンの入力後［モータ選択］画面で、判定結果が自動的にリストアップされます。リストアップされたモータの中から、イナーシャ比、回転数、トルクの条件を満たすモータを選定します。判定基準以下であれば〇、判定基準を超えると△や× が表示されるので、パッと見て適正なモータを選択することができます。
※サーボモータ選定ソフトウェアでのサーボアンプの選択肢には、RTEX通信のA6Nシリーズ、EtherCAT通信のA6Bシリーズはありません。入力指令がパルス列と想定して、モータ品番の選定を行ない、そのモータの品番に合ったサーボアンプをカタログの品番対応表から選んでください。
物体の動き出しにくさ、止まりにくさを表す度合いのことを、慣性モーメントまたはイナーシャといいます。
モータ自体が扱える慣性モーメントをロータ慣性モーメント（ロータイナーシャ）といいます。イナーシャ比は、ロータ慣性モーメントに対する負荷慣性モーメントを比率で表したものです。イナーシャ比が、カタログにある推奨負荷慣性モーメント比の倍率以下になるようにモータの機種を選びます。
イナーシャ比がモータメーカの推奨値を超えると、制御が不安定になる場合があります。イナーシャ比は、モータを動かす上で考慮しなければならない大切な項目の一つです。
カタログには、モータごとに定格トルクという項目があります。定格トルクはモータが連続して安定動作できるトルクの限度のことです。各モータのトルクと回転速度の関係を表した図をS-T特性図といい、定格トルクと定格回転速度が交わる定格出力の範囲内であれば、連続して安定動作することができます。下図は定格回転速度3000r/min、定格トルク0.64N・m のモータのS-T特性図で、連続動作領域内に定格出力の範囲があることがわかります。
一方、モータの加速時や減速時、大きなトルクを必要とします。その瞬間にモータには大電流が流れ、その僅かな時間に出せる限界値のトルクを瞬時最大トルクといいます。最大トルクは必要とするトルクの最大値を計算したもので、サーボモータ選定ソフトウェアでは瞬時最大トルクに対する最大トルクの比を表しています。最大トルクは定格トルクを超える場合がありますが、S-T 特性図の瞬時動作領域内であれば、多くのトルクが必要になっても動かすことができます。瞬時動作領域内で、どのくらいのトルクでどのくらいの時間使用できるかは、オーバーロード保護時限特性で確認します。
ここでご紹介した定格トルク、最大トルクのほか、サーボモータ選定ソフトウェアには走行トルクや実効トルクも計算し判定をおこないます。参考にしてください。
サーボモータ選定ソフトウェアで選定したモータに適したケーブルやリアクトルなどの品番を簡単に調べることができます。
選定結果を保存できるため、次回選定時にも簡単に再現することができます。
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