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精機製品・技術レポート:ダイレクトドライブモータの技術動向

  • 1. まえがき
  • 2. メガトルクモータ™の開発動向
    • 2.1. 永久磁石形同期モータ開発
      • 2.1.1. VR形モータと永久磁石形同期モータの比較
      • 2.1.2. 最適磁極形状の設計
      • 2.1.3. モータ出力特性
    • 2.2. 新制御方式の開発
      • 2.2.1. 高追従制御
      • 2.2.2. 外乱オブザーバ
    • 2.3. 位置決め性能試験結果
      • 2.3.1. 高速位置決め試験
      • 2.3.2. 高精度位置決め(ステップ送り)試験
      • 2.3.3. 低負荷剛性時の位置決め試験
  • 3. メガトルクモータの特長
    • 3.1. PSシリーズの特長
    • 3.2. PNシリーズの特長
    • 3.3. PNZシリーズの特長
    • 3.4. PXシリーズの特長
  • 4. あとがき

1. まえがき

NSKでは、1985年から負荷を直接駆動できるダイレクトドライブモータ(以下DDモータ)を“メガトルクモータ“の商品名で販売してきている【参考文献1),2),3)】。DDモータは、「サーボモータ+減速機」や機械式インデックスで発生するガタやバックラッシュを取り除き、高精度、高速な位置決めを可能としている。また、駆動系として負荷を直接受けられる軸受を内蔵しており、付加的な支持機構を設ける必要がなく、コンパクト、省スペースの装置に寄与できるアクチュエータである。
開発当初は、産業ロボットのダイレクトドライブ化で注目を浴びたDDモ-タは、その後、FA用ダイレクトドライブモータとして実用化され、現在では、半導体・液晶製造装置、CD/DVD製造装置をはじめとして、組み立て機、検査機などのインデックス、搬送機構として広く使用されるようになり【 参考文献4)】、FA用アクチュエ-タとして認知度が高くなってきている。
使用される分野が広がるにつれ、インデックス用途では、対象製品の微細化により高精度な位置決めが求められ、また、搬送用途では、生産性向上の要求から、より高速での位置決めが求められている。
本稿では、永久磁石形同期モータとして開発されたメガトルクモータ PSシリーズのモータ技術と高速位置決めを実現した新制御方法について紹介し、次にそれらの技術を応用して開発された製品の特長について紹介する。

2. メガトルクモータの開発動向

2.1. 永久磁石形同期モータ開発

2.1.1. VR形モ-タと永久磁石形同期モ-タの比較

以前のメガトルクモータはトルク発生原理として、小歯突極構造のリラクタンス変化によりトルクを発生させるVR形(バリアブル・リラクタンス形)を用いていた。磁石を使わず、小歯数を増やすことにより、多極化が簡単にでき低速で高トルクが得られている。反面、ロータとステ-タのギャップは研削加工を施し、0.1mm程度にギャップを管理する必要があった。 VR形は、巻線のインダクタンスが大きくなるため、駆動周波数が高くなる高速域では、モータ巻線電流の応答遅れによりトルクが減少する傾向がある。
図1は一般的なCD/DVDの製造ラインの搬送装置である。

図1 CD/DVD製造ラインの搬送アームとストッカテーブル

ディスクのストッカ-テーブルとプロセス装置側との間でディスクの受渡しを行う搬送アームとで構成されている。搬送、ストッカ-はCD/DVDの付加価値には何ら寄与しないことから、搬送時間は極力短縮することが要求される。特に、搬送アームでは搬送する角度が大きい(180度以上)場合が多く、搬送時間を早くするためには、モ-タの最高回転速度を上げることが必須となり、また、搬送に要するスペ-スも出来るだけ小さく抑えることが要求されている。このため、DDモ-タには小型化、高速化が必要となり、従来のVR形での対応では限界が出てきた。
一方、永久磁石の中でも希土類Nd2Fe14B磁石(ネオジ磁石)はエネルギー積が高く(320~440 kJ/m3程度)、最近では低価格化が進み汎用モータに使用できるようになってきた【参考文献5)】。
以上の状況から、高速回転を可能にした永久磁石同期形のメガトルクモータを開発した。

2.1.2. 最適磁極形状の設計

モ-タの設計において、モータコアは磁束密度分布の解析に加え、トルクリプル、コギングトルクなどの高精度位置決めを達成するための特性を確認しながら設計を行った。
解析は有限要素法(FEM)を用いた磁界解析により行い、実機にて検証した。
多数のパラメータの影響を確認するため、主要寸法・諸元のリスト作成からFEMモデル作成、条件入力、解析実行までを自動的に実施可能なシステムを構築し、設計の効率化を行った。自動作成を行ったFEMモデルと、磁束密度分布図を図2に示す。

図2 FEMモデルと磁束密度分布図

2.1.3. モータ出力特性

PS1006のトルク-回転速度特性(N-T特性線図)を3に示す。

図3 トルク-回転速度特性

従来品A、従来品Bと比較すると、最高出力トルクが2倍、また、高速領域でのトルク特性が大幅に改善されていることがわかる。
軽量物(負荷イナ-シャ:0.007 kgm2)の180°位置決め動作を例として、位置決め時間を比較した結果を図4に示す。

図4 180°位置決め比較

従来品の最高回転速度はいずれも3s-1である。PS1006は最高回転速度が10s-1のため、位置決めは従来品Aの約50%の時間で完了している。
高速位置決めを実現するためには「最高回転速度の向上」と「モータの高トルク化」が必要であることがわかる。

2.2. 新制御方式の開発

位置決め時間の短縮を目的として、NSKでは、これまでに、PM型リニアモータの制御に対して新しい制御方式を開発している【参考文献6),7)】。廉価で高性能なCPUの普及によって、高速演算処理を要する新制御方式の適用も容易になってきたことから、この制御方式をメガトルクモ-タにも応用している。
位置決め時間の短縮には、
  • (1) モ-タ回転速度の高速化
  • (2) モータ動作中、位置指令に対する実際のモ-タの追従性向上
  • (3) 位置指令完了後の整定時間を早くする
が必要になる。
(1)は永久磁石形同期モ-タで実現し、(2)と(3)は制御技術で実現した。

2.2.1. 高追従制御

短時間整定を実現するためには、モータの回転動作中における追従偏差をできるだけ少なくさせることが有効である。そのため、本開発においては位置決め動作指令に対する位相遅れを補償し、応答性を改善する高追従制御を採用している。
フィードバック制御により安定化された制御対象は、一般に高い周波数領域において位相が遅れる。
高速位置決め動作を行うことを考えると、目標値(位置指令)から制御出力(モータの回転角度量)までは遅れがないことが望ましい。仮にフィードバック制御系の前に、その逆特性を有するフィードフォワード制御器で補償を行うことができれば、目標値から出力までの伝達特性が“1”になり、指令とおりの位置決めが実現できることになる。

このような考え方として零位相差トラッキングコントローラ(ZPETC)がある【参考文献8)】。
フィードバック制御により安定化された制御対象の離散時間モデルは 次のようになる。

ただし、
である。
このときZPETCの出力u(k)は、次のようになる。
ただし、
である。
これを、位置制御ループ及び速度制御ループを比例制御により安定化したメガトルクモータに適用すると次のようになる。
(7)式より、閉ループ系への入力値を作成するためには、2サンプリング先の指令情報が必要となることがわかる。ここで、K、a0~a3は、モータの負荷慣性モーメントや各制御ループのゲイン及び定数で決定される値である。一般には、このような特性は非因果的であるため、実現することはできない。しかし、位置指令パルス発生機能を有する場合は、ドライブユニット内部で事前に指令情報を得ることができるため実現が可能となる。
上記のフィードフォワード補償が行われると、目標位置指令値からモータの回転角度までの伝達関数は、理想的には次のようになり、零位相特性を有することとなる。
ここで、上記の定数K及び、a0~a3を決定する際に用いた負荷の慣性モーメントの値が、実際の値とずれるときには、モデル化誤差の影響により零位相特性を得ることができなくなる。このため、次項で説明する外乱オブザーバを適用することにより、ロバスト性の保証を行い、モデル化誤差の影響を減少させている。
予見フィードフォワード制御により、モータの位置指令からモータの回転角度までの周波数特性は、ナイキスト周波数近傍まで理想的には1となる。しかしながら、モータの追従性向上のためには制御帯域をナイキスト周波数近傍まで上げる必要はない。制御帯域をナイキスト周波数近傍まで上げると、むしろ、高周波領域における指令の量子化誤差等により悪影響を及ぼすことが考えられる。このため、高い周波数成分のみを除去することができ、しかも位相遅れのない、零位相フィルタを応用して、予見フィードフォワードの位相特性に影響を与えずに、過剰な高周波成分をカットしている。

2.2.2. 外乱オブザーバ

従来のP-PI方式9) は、位置制御ループでは比例制御を行い、速度制御ループでは比例制御と積分制御を行うことにより、摩擦等の外乱による定常偏差を0としている。積分制御を用いた場合、積分ゲインを上げるためには、同時に比例制御のゲインも上げる必要がある。比例ゲインを十分に上げることができない場合には必然的に積分ゲインの上限が決定されるので、望まれる外乱抑圧特性を満足できず、制御性能の劣化や整定時間短縮に対する限界があった。
そのため、本開発においては、外乱抑圧特性の向上を図るため外乱オブザーバを採用している(図5)。

図5 外乱オブザーバ

それは、トルク外乱をモータへのトルク指令τと位置出力θから推定し、それに対してローパスフィルタQ(s)を介してフィードフォワード補償することにより、外乱の影響を打ち消す制御方式である。
このとき、位置出力θは次の伝達関数で表される。

図6は、図5を等価変換したブロック図である。

図6 等価変換したブロック図

図6より、ローパスフィルタQ(s)のカットオフ周波数以下の外乱はその影響が抑えられる構造となっていることがわかる。
外乱オブザーバを用いた場合には、速度制御ループでのゲインによって制約を受けていた積分制御方式に比べて、外乱に対してより強い制御系を構成することができ、これまで以上に早い整定を実現することができる。

2.3. 位置決め性能試験結果

2.3.1. 高速位置決め試験

図7は同サイズの新旧メガトルクモータの位置決め性能比較試験結果である。

図7 位置決め時間比較結果

従来品AはメガトルクモータJS1003、新メガトルクモータはPS1006を用いた。180°の位置決め動作において、位置決め時間はJS1003で330msであるのに対して、PS1006では、146.5msとなり従来の1/2以下となっている。また、新開発の高追従制御方式により、動作時の追従偏差量がPS1006では約40パルス(位置検出器分解能を従来品と同じ614400カウント/revに換算した場合)であり従来の方式に比べて1/500と、非常に小さな値となる高追従が実現している。
また、整定時間は従来品Aが50msに対してPS1006は1msと大幅に短縮できている。

2.3.2. 高精度位置決め(ステップ送り位置決め)試験

PSシリーズのモータ位置検出分解能は2,621,440パルスとなっている。図8に、1パルスのステップ送り位置決め試験結果を示す。

図8 ステップ送り位置決め試験結果

1秒の時間毎に1パルスずつの位置決めを行い、合計10パルス分時計方向に回転、その後反時計方向に同じパターンで回転させる動作を繰返したものである。測定データはモータ中心から200mmの位置での移動量をギャップセンサにて測定したものである。
2,621,440パルスに対する1パルスの移動が確実に行われて、高精度な位置決めができることが確認できる。

2.3.3. 低剛性負荷時の位置決め試験

モータと負荷が細い軸で取付けられている場合や、剛性の低いアーム状の負荷が取付けられている場合などは、共振点の影響でモータが振動的になり、剛性の高い負荷を取付けた場合ほどには、ゲインを高く設定することができない。
このような場合に対処する方法として、次の方法がある。

  • ① モータ出力軸の近い箇所にダミーイナーシャを取付け、共振点を反共振点側に移動することで、その影響を減少させる。この場合直結するダミ-イナ-シャの負荷によりサーボゲインを高くし、位置決め安定性を高めることが可能である。
  • ② ノッチフィルタなどの補償器を用いて、制御対象の特性を改善し共振点のゲインを下げる。

ここでは、スプラインを介して取付けられたアーム(図9)に対する位置決め試験を行った結果を紹介する。

図9 低剛性負荷試験装置

試験装置の周波数特性(図10)は68Hzに反共振点,260Hzに共振点を有する構造となっている。

図10 低剛性負荷試験装置の周波数特性

従来のノッチフィルタは除去帯域の先鋭度をあらわすQ値を固定としていたが、今回は、適用している負荷の特性にあわせて、パラメータにより任意に設定可能とし、最適な調整が行えるようにした(図11)。

図11 ノッチフィルタの周波数特性

図12の(1)、 (2)、 (3)にそれぞれ、対策なしの場合、ダミーイナーシャを用いた場合、ノッチフィルタを用いた場合の90°位置決め試験結果を示す。

図12 低剛性負荷に対する位置決め試験結果

(1)では、共振周波数の影響で位置決め完了できずに残留振動があることがわかる。ダミーイナーシャを取付けた場合と、ノッチフィルタで共振点のゲインを下げた場合では、どちらも残留振動が殆どなく位置決め完了している。ノッチフィルタで補償した場合は、ダミーイナーシャを取付けた場合に比べ、慣性モーメントの影響で加減速度を高く設定することができるため、位置決め時間も短時間で実現できている。

3. メガトルクモータの特長

3.1.PSシリーズの特長

メガトルクモータ PSシリーズ(図13)は次のような特長を持っている。

図13 メガトルクモータ PSシリーズ
  • ① 位置決め時間の短縮が可能
    最高回転速度を従来3s -1から10s-1にアップした。また、目標位置への寄付き時間(整定時間)を従来の1/5以下に短縮した。
  • ② モータの小型・高トルク化
    高エネルギー積の永久磁石を使用した最適な磁界設計で、単位面積あたりの発生推力(推力密度)を従来機のモータの約2倍にした。これより、モータの小型・高トルク化を実現した。
  • ③ 小型・高精度の絶対位置検出器を搭載
    位置検出器に従来機と同じく耐環境性の優れたレゾルバを採用している。磁極構造の最適化により、従来に比べて2/3に小型化し、しかも、検出器精度90秒(1秒 = 1度 / 3600)を実現した。
  • ④ ドライブユニットの小型化
    専用モジュールの採用により、従来比65%の小型化を実現した。

3.2.PNシリーズの特長

メガトルクモータ PNシリーズ(図14)は次のような特長を持っている。

図15 メガトルクモータ PNシリーズ(ブレーキ付)
  • ① 独自の内部構造により、薄型・高剛性を実現
    当社従来比で最大32%の薄型化(125mm ⇒ 85mm)を実現し、モーメント剛性25%UPを両立したことで、装置の小型化・軽量化に貢献。
  • ② 高トルクにより、位置決め時間の短縮が可能
    当社従来比でトルクを最大50%UP(120Nm ⇒ 180Nm)させ、位置決め時間の短縮を可能とした。また、最適な巻線設計により低発熱での駆動を可能とした。

また、PNシリーズはブレーキ付(図15)も対応し次のような特長を持っている。

図15 メガトルクモータ PNシリーズ(ブレーキ付)
  • ① 負作動ブレーキの採用による安全性への貢献
    電源遮断時にブレーキが作動する負作動型ブレーキを組み込むことで、誤回転を防止。特に、壁面に取り付けられたアンバランス負荷を持ったモータにおいて、安全性の確保が可能。
  • ② ノンバックラッシュ型ブレーキの採用による生産性への貢献
    ブレーキ作動時に遊びが無いノンバックラッシュ型ブレーキの採用により、加工や組立て作業中にブレーキを作動させることで、外力が加わっても正確な位置を保持。これにより、高精度な加工や品質の安定を実現した。

3.3.PNZシリーズの特長

メガトルクモータ PNZシリーズ(図16)は次のような特長を持っている。

図16 メガトルクモータ PNZシリーズ
  • ① 世界で初めてIEC規格の防塵・防水保護等級IP66M※1,※2 に適合
    DDモータに適した独自の保護構造を採用し、高圧噴流水の浸入を防ぐことを可能とした。これによりIEC(国際電気基準会議)規格に定められる保護等級IP66M ※1に適合した。
  • ② 防塵・防水型として、世界最薄で最もコンパクトなDDモータ
    メガトルクモータの高精度・高トルク化技術と、信頼性の高い薄型構造シール化技術を融合させることで、IP66Mに適合した世界最薄と最もコンパクト(体積/トルク比)なDDモータを実現した。(図17)

※1 国際電気標準会議(IEC)で定められた規格において高圧噴流水の浸入を防ぐ保護等級IP66Mを実現したダイレクトドライブモータとして(2010年6月現在 NSK調べ)
※2 第三者機関テュフ ラインランド ジャパンに適合証明されました(IEC60529、IEC60034-5)

図17 メガトルクモータ PNZシリーズ(防水試験)

3.4. PXシリーズの特長

メガトルクモータ PXシリーズ(図18)は次のような特長を持っている。

図18 メガトルクモータ PXシリーズ
  • ① 高加減速による位置決め時間の短縮
    モータの可動部(ロータ)の外周に高出力な巻線を配置したことで、慣性モーメントを極限まで小さくし、加減速性能(目標回転速度に到達するまでの時間)を従来比約2倍に高めた。
  • ② 構造強化による搬送精度の向上
    モータの剛性を高めることで、回転テーブルの振動を抑制し、精度の向上を可能にした。また、精度に悪影響を与えないように、モータの発熱が回転テーブルに伝わりにくい構造を採用した。
  • ③ コンパクトなサイズと大きな中空穴
    外径サイズを従来品同等のΦ160mmに抑えながらも、吸着ノズルの配管や信号配線の敷設が可能なΦ35mmの中空穴を確保。また、モータ外周部に突起がないため、周辺への機器の配置が容易。

4. あとがき

高速、高精度のメガトルクモータ PSシリーズで用いられている技術を解説・紹介した。
また、PSシリーズの技術を応用して開発したPNシリーズ、PNZシリーズ、PXシリーズについて製品の特長を紹介した。
メガトルクモータに寄せられる様々な要求や期待に応えることにより、メガトルクモ-タをFA用アクチュエ-タとしてさらに使いやすくし、その用途の広がりを図るため、今後も新しい技術開発・製品開発を行っていく。

参考文献

  • 1) 猪俣忠雄,“メガトルクモータ”,NSK Technical Journal,649(1991)37-44.
  • 2) 猪俣忠雄,“ダイレクトドライブ技術”,機械の研究,第44巻第1号(1992)117-122.
  • 3) 山口義治,“ロボット用アクチュェータとしてのメガトルクモータ”,電気学会誌(1987)107巻10号1023-1026.
  • 4) 小林誠一,“ダイレクトドライブモータの応用”,設計工学,37-3(2002)311-317.
  • 5) 菊地亮,谷川茂穂,“希土類磁石の高性能化”,日立金属技報,15(1999)111-114.
  • 6) 小林誠一,カール・ケンプ,“外乱オブザーバと予見フィードフォワードを用いたワイヤボンダ用テーブルの位置決め制御”,NSK Technical Journal,664(1997)46-58.
  • 7) Carl J. Kempf,Seiichi Kobayashi,“Disturbance Observer and Feedforward Design for a High-Speed Direct-Drive Positioning Table”,IEEE Transaction Control Systems Technology,7-5 (1999) 513-525.
  • 8) Tomizuka, M.,“Zero Phase Error Tracking Algorithm for Digital Control”,ASME Journal of Dynamic Systems,Measurement, and Control,109(1987) 65-68.
  • 9) 沢田浩志,小林誠一,“ダイレクトドライブモータの制御”,NSK Technical Journal,653 (1992) 42-49.