VII.駆動制御編　フレッシュマンのための入門マニュアル

フレッシュマンのための 入門マニュアル Ⅶ. 駆動制御編 （ACサーボ・インバータ・クラッチ/ブレーキ/テンションコントローラ）

目次 ACサーボ 1. サーボってなんだろう 2 2. サーボとインバータ 2 3. フィードバック制御系 4 4. オープンループとクローズドループ 4 5. サーボモータの種類 5 6. サーボアンプの中味はどうなっているのか？ 6 7. どんな制御ができるのか？ 7 8. 位置決めって何？ 13 9. 駆動方式にはどんなものがあるのか？ 15 10. 目で見るサーボの主な適用・用途例 18 11. 用語解説 20 インバータ 1. インバータってなんだろう 28 2. インバータを使うメリットとは 30 3. 絵で見るインバータの主な用途例 32 4. 選定上の確認事項 39 5. 用語解説 41 クラッチ /ブレーキ /テンションコントローラ 1. 電磁クラッチ・ブレーキってなんだろう 43 2. テンションコントローラで張力制御 44 3. 張力制御導入による効果 50 4. 用語解説 52

Ａ Ｃ サ ー ボ ACサーボ 1

1 サーボってなんだろう 物を移動させたり、決められた所に置くような時にサーボという言葉をよ く聞くことがあります。 ○学術用語の定義は 1. サーボとは『物体の位置、方位、姿勢などを制御量として目標の任意の 変化に追従するように構成された制御系』 2. サーボモータとは『頻繁に変化する位置や速度の命令に対して忠実に 追従できるように設計されたモータ』 ですが、一口で言うと頻繁にかつ急激に変化する目標に、追従するように命 令を与えると、素直にすぐに従う下部の様に働く駆動制御装置のことです。 2 サーボとインバータ サーボは高価、インバータは安価、とよく言われますがサーボとインバータ ではその機能や性能が本質的に異なり、どちらを選ぶかは負荷条件や運転 パターンなどにより、おのずと決まってきます。 サーボとインバータの相違を一口で言うと、 サーボが過度状態の制御を素早く精度よく行うのに対し、インバータは、ゆ るやかな定常状態の制御に使用されます。 2

汎用インバータ サーボ プログラマブル コントローラ Ａ 指令部 サーボアンプ Ｃ MR-J4-_A サ ＦＲ-Ａ800 MR-J4-_B ー MR-J4W_-_B ドライバー ボMR-J4-_B-RJ010 （アンプ） MR-J4-_B-RJ020 制御部 など 検出器 サーボモータ・標準Ｉ Ｍ HG-KR ・インバータ専用 HG-MR モータ HG-SR モータ HG-UR HG-RR HG-JR など 0.5 ～ 4 速度精度（変動率）（％） 0.01 以下 ～ 30 応答性（rad/sec） 20 ～ 65535 1:10 ～ 1:120 速度制御範囲 1:2000 ～ 1:5000 150 始動トルク（％） 300 ～ 400 150 最大トルク（％） 300 ～ 400 サーボは ①位置決め　②速度　③トルクの３つの制御機能を有している のに対して、インバータは基本的には速度の制御のみです。 3

3 フィードバック制御系 サーボとインバータの制御系の大きな違いは、指令値と現在値を比較・修 正をするか、指令し放しで、その結果がどうなろうとも一切関知しないかに あります。 図に示すごとく、指令値と現在値を比較した誤差に基づき、現在値を修正す る制御系をフィードバック制御系と言います。 演　算 指令に対してどれだけの ＋ 誤差 指令値 誤差で追従するか。 現在値 － 指令値 溜パルス＝ （誤差） ループゲイン フィードバック 4 オープンループとクローズドループ フィードバックは、相手（負荷）が指令した内容通り忠実に追従しているか どうかを見て確かめ、ズレがあれば更に指令の内容を変えて目標に到達す るまでこれを繰り返します。 入口（指令）と出口（結果）がつながって（閉じられて）いるのでクローズド ループと言い、フィードバックの無いものは、指令の出し放しでつながって いない（開いている）のでオープンループと言います。 4

位置制御におけるオープンループとクローズドループの概要を示すと、次 のようになります。 ループ方式 構　成 概　要 ・フィードバックがなくサーボ Ａ ステッピングモータ テーブル位置制御 と呼ばない Ｃ オープンループ サコントローラ ・過負荷で脱調（運転停止）しや 減速機 すい ー ・一般的に小容量クラス ボ ・構造簡単 モ ー エンコーダ テーブル ・応答が一番早い位置制御 タ 速度 サーボセ ・制御系安定、安心して使用でモータ ミ 軸 コントローラ 位置 きる ク 検 減速機出 ・バックラッシュ・ピッチエラーロ ー 補正必要 ク ズド 送 ・構造がやや複雑（別置検出器必ロ ー ル りね エンコーダ 要） ー テーブル 位置検出 ズ じ 位置制御プ 速度 ・応答が早い サーボ ド 端 コントローラ モータ ・ギア・送りねじの影響で不安ル ー 検 減速機 定となりやすい プ 出 ・ピッチエラー補正必要 ・高価な位置検出器必要 フル エンコーダ 位置検出 ・機械系（剛性、バックラッシュテーブル 位置制御 速度 他）の影響受けやすく応答遅クローズド サーボコントローラ モータ い ループ 減速機 リニアスケール ・バックラッシュ・ピッチエラー 補正不要 5 サーボモータの種類 インバータにつなぐモータは（汎用）誘導型モータのみであるのに対して、 サーボモータは、直流モータ、同期モータ及び（専用）誘導型モータの３種 類があり、それぞれ長所、短所を有しています。 5

特　徴 種　類 構　造 長　所 短　所 端子箱 検出器 ・メンテナンスフリー ・サーボアンプがDCモータ ・耐環境性に優れている 同期モータ 用よりやや複雑・大トルクが可能 永久磁石 ・モータとサーボアンプ 1対 1 （サーボモータ） （回転子側） ・停電時の発電制動可能 の対応が必要 電機子コイル ・小型・軽量 ・マグネットは減磁の恐れあり （固定子） ・高パワーレート 端子箱 検出器 ・メンテナンスフリー ・小容量では効率が悪い ・耐環境性に優れている ・サーボアンプがDCモータ 誘導型モータ ・高速・大トルクが可能 用よりやや複雑 固定子コイル ・大容量では、効率が良い ・停電時の制御が不可 回転子 ・構造が堅牢である ・温度により特性が変わる 端子箱 ・整流子回りの保守、定期点検 検出器 が必要 整流子 ・サーボアンプの構成が簡単 ・ブラシ摩耗粉が発生、クリー ブラシ ・停電時の発電制動が可能直流モータ 永久磁石 ンな場所では使いずらい・小容量では安価 （回転子側） ・整流ブラシの関係で高速大ト・高パワーレート 電機子コイル ルクで使用不可 （固定子） ・マグネットは減磁の恐れあり 6 サーボアンプの中味はどうなっているのか？ 電力を変換する主回路と、どのように変換するかを考え指令する制御回路 とに大別され、主回路はインバータとほとんど同じですが、停電時サーボ モータから慣性に蓄えられたエネルギーを吸収して、サーボモータにブ レーキ（これをダイナミックブレーキという）を掛ける部分が付加されて います。 制御回路はインバータの機能の他に、指令、比較、判定、制御モード（位置、 速度、トルク）切換、制限（電流、速度）等、サーボ機能が加わりインバータ とは大幅に異なります。 6

コンタクタ コンバータ 平滑回路 回生ブレーキ インバータ ダイナミックブレーキ 主 回 路 モータ Ａ トルク制御 エンコーダ Ｃサ ー ボ 制御回路パルス 位置制御 速度 電流 倍率 （偏差カウンタ） 制御 制御 三相発生 PWM ［電流フィードバック］ ［速度フィードバック（パルス周波数）］ I/F ［位置フィードバック（パルス数）］ 7 どんな制御ができるのか？ サーボは位置、速度、トルク及びこれらの組合せの制御ができると言いまし たが、これらについて当社の汎用ACサーボ（MR-J4 シリーズ）でもう少 し詳しく説明します。 7

1. 位置制御 ●●指令はパルス列 逆転 正転 正転パルス列 逆転パルス列 最大 4Mpps（差動レシーバ方式） 200kpps（オープン 　　　　　　　　コレクタ方式） 1 パルスが送りの単位 位置決めユニット サーボアンプ サーボモータ に対応します。 a. 指令パルス列の周波数がモータの速度を決定する。 b. 指令パルス列のパルス数がモータの回転量（移動量）を決定する。 c. 指令パルス列は差動レシーバ方式、オープンコレクタ方式いずれも受ける。 ●●4Mpps の高速・高精度位置決め● モータ軸で 8.6 × 10－5度の細かな位置決め 例） HG-SRシリーズでリード12mmのボールねじの場合 計算 6 CMX 12mm 4×10 ×60秒× 4194304パルス＝0.00000286 　C　DV　 4194304パルス ＝2000r/min CMX 2000×222 131072 CDV ＝400×103×60 ＝ 375 ●●電子ギア機能 サーボアンプ 電子ギア 4 1 パルス列 4倍のパルス列 × 1 ～×4000 で高速位置決め10 の範囲で分子・分母 電子ギアにより、指令パルスの 1/10 ～ 4000 倍のパルス列に変換するこ とができます。従って、1パルス当りの移動量を任意の値とすることがで きます。 8

このため a. 任意のリードのボールねじを使用しても、1パルス当りの送り量に端数 が出ない。 b. 低速パルスでも高速の送りができる。 2. 速度制御 Ａ Ｃ ●●設定方法 サー a.使い易いアナログ指令。外部ボリュームでモータの速度設定ができる。 ボ 速度を外部から任意に変更する場合や、微調整に有利な方式です。 b. パラメータによる 7速ディジタル設定 1速 2速 3速 4速 5速 6速 7速 速度パターン 速度は 7段階に設定することができるので、速度が固定される場合に 有利な方式です。 この内部 7速設定は、運転中に外部温度に変動が生じてもモータの回 転数に変動は生じません。 9

●●クッションスタート・ストップ機能 ・クッション機能がない場合 （ 機械側に衝撃が加わる） ・クッション機能で、ゆったり加速、急加速。 好みの加速度をパラメータで設定できる。 ●●速度制御範囲●1:5000 高速運転 坂道でも速度が落ちない。 （負荷変動に強い） 高速、徐行、スピードは思いのまま、低速指示でも定トルク特性であり、 障害があっても速度が落ちず、スムーズに動きます。 ●●停止時サーボロック機能 斜面でも、停止後サーボロックされるので、 電磁ブレーキを作動させなくても自重でず り落ちません。ただし、停電時は、電磁ブレー キが必要です。 10

3. トルク（電流）制御 ●●サーボアンプの出力電流を制御することでモータのトルクを制御 電流 Ａ Ｃ サ ー ボ 指令は0～±8V モータの最大トルク まで制御できる。 • 電流指令によってトルク一定の制御をする。（トルクは電流に比例する） • 綱が切れる（負荷がなくなる）とひっくり返る（モータ暴走）ので必ず 速度制限をかけて使用する。 4. 速度／位置切換制御 お！ からはここ か 一旦停止後、速度から位置、または位置 位置決 め から速度へ制御を切換える運転モード 切換 ポイント です。 11

5. トルク／速度切換制御 切換ポイント トルクから速度、または速度からトルク へ制御を切換える運転モードです。 ※張力制御時の巻始めに使用できます。 巻始め速度制御で一定速度に合わせ、 その後、トルク制御で張力一定にして 上りは電流制御 下りは 運転します。 でトルクをコント 速度一定の ロール ペースで 電流制御で 速度制御で トルクを 速度一定の コントロール ペース 12

8 位置決めって何？ （1）位置決めの目標 位置決めとは、ある位置（点）から目的とする位置（点）に移動体（被加 工物（ワーク）・工具（ドリル・カッター））などを適切な速度にて移 動させ、しかも精度よく停止させることを言います。下記の事例のよ ＡＣ うに、囲う対象物（ワーク）を一定寸法に送り出したり、工具（ドリル） サ を必要距離移動させて加工を行う場合の定位置（目的位置）での停止 ー などに用いられます。 ボ （位置決めの事例） 定寸送り プレス アンコイラ ロール プレス・シャーなどの工 送り 打抜き 程で加工材を一定寸法に、 しかも、高精度で位置決 めを行い切断・打抜きな どの加工を行う。 M 送りモータ ねじたて ドリル ワーク M 加工物（ワーク）に穴明 けするため（１. 早送り） 送り台 （2. 切削送り）（3. 早戻し）タイミング 早送り 切削送り をくり返し穴あけ加工を ベルト M ボールねじ 行う。 プーリ 送りモータ 早戻し 綱板穴あけ ドリルユニット 2 台のモータ（X 軸送り X軸 Y軸 穴あけ加工 モータ・Y軸送りモータ ワーク 各 1台）にて高精度の位 X-Yテーブル 置決めを行い穴あけ加工 Y軸送り M をする。 モータ X軸送りモータ M 13

（2）位置決め方式 位置決め方式にはエアー・油圧・電気など駆動源による分類のほか、 用途・制御軸数・位置決め精度・送り速度・位置決め頻度などにより 各種の方式があります。 簡単な位置決め方式にはエアシリンダ方式・カム方式・クラッチブレー キ方式、高精度・フレキシブルな位置決め方式には電気式のサーボシ ステム、高速搬送位置決めにはリニアサーボシステムもあります。 ここでは、最も一般的な電気式の位置決め方式についてその概要を説 明します。 分類 方式 内　容 概要説明図 移動体が通る所にリミットスイッチをセット 移動部 し、移動体がこのスイッチを移動させて、その 低速切替用 リ リミットスイッチ ミ 信号で停止させる方式。 B M ッ 一般には、2個のスイッチにより最初のスイッ ト 停止用 ス チで低速に落とし 2個目のスイッチでモータ INV リミットスイッチ イ をOFFし、ブレーキをかけて移動体を停止さ ッ 高速 チ せる。 M：誘導電動機 方 低特に位置決め装置を必要とせず、簡単な制御で B：ブレーキ 式 速INV：インバータ 低価格にて装置が構成可能。 簡 易 移動距離 位 （停止精度目安 …… ± 0.5 ～ 5.0mm程度） 置 決 物体を駆動するモータや回転軸に位置を検出す パルスをカウント め るパルス発生器（パルスエンコーダなど）をセッ 移動部 パ トし、そこから出るパルス数を高速カウンタで PLG ル 計数する。パルスは移動距離に比例するのでパ M ボールねじ ス カ ルスが予定値に達すると停止信号を出し移動体 ウ を停止させる。 INV ン ト この方式ではリミットスイッチなどを省くこと 高速 M：誘導電動機 方 ができ、位置変更が容易である。 低 PLG：パルス発生器 式 速 INV：インバータ（MELSEC-A シリーズ AD61、AISD61 高速 PC PC：シーケンサ カウンタユニットなどが使用できる。） AD61AYカード 高速カウンタユニット 移動距離（停止精度目安 …… ± 0.2 ～ 1.0mm程度） 指令パルスを入力 移動部 駆動モータには、入力されたパルスに比例して 回転するACサーボモータを使用する。 PLG 高 パ SM ボールねじ 精 ル ACサーボモータのサーボアンプに移動距離に 度 ス 対応した数のパルスを入力することによりパル 位 指 サーボ 置 令 ス数に比例して高速な位置決めができる。 アンプ 決 方 1 ～ 4軸位置決めユニットMELSEC-L シリーズ め 式 LD75 など。 PC LD75 位置決め 　　ユニット （停止目安精度 …… ±0.001～0.05mm程度） 移動距離 14

9 駆動方式にはどんなものがあるのか？ 直線運動に用いられる各種機構系の概要を図で示し、各々の特徴と位置決 めに関する基本的な公式〔モータ 1回転当りの機械側移動量（記号：ΔS、 単位：mm）〕について説明します。 Ａ 駆動方式の種類 特徴と基本公式 Ｃサ ○比較的短い移動距離で高精度の位置決 ー 可動部 めを行う場合の代表的な駆動方式。 ボ ○左図に示すボールねじリードが小さく １ なるほど精度は高く、送り速度は低く ボ なる。（駆動サーボが同一の場合） ー 基本公式 ル ね モータ 1回転当りの移動量 じ ΔS(mm) ＝ PB(mm) × 1/n 減速比（1/n） ボールねじリード 減速機がなくカップリング直結の（記号：PB） 場合は ΔS= PB ピニオン部記号 ○比較的長い距離の位置決めに使用 される駆動方式。 PCΦ ○通常は、ピニオン側が固定され、ラック ラック側が移動する方式が多い ラックピッチ ピニオン が、ラック固定でピニオン側が （記号：R） モータ部を含めて移動する場合も ２ 減速比（1/n） モジュール ある。 （記号：m） ラ 基本公式 ッ ピニオンの歯数（記号：Z） ΔS(mm) ＝ PL(mm) × Z× 1/n ク または ＆ ΔS＝m×Z×π× 1/n ピ または ニ ΔS＝ PCφ×π× 1/n オ ラ ン ッ ク 直線のバーに定ピッチで歯を刻んだ形状 ピ ニ 円周上ピッチで オ 歯を刻んだギア ン 15

駆動方式の種類 特徴と基本公式 タイミングベルト ○大型搬送機から精密機械まで広い分野 タイミングプーリ で、使用されている駆動方式。 ○一般のモータで多用されるVベルトや 平ベルトと異なり、プーリとベルトの 歯がかみ合って送るため、スベリによ る誤差はない。 ベルトピッチ 　ただし、ベルトの材質によっては、摩 （記号：PT） 耗など、経年変化による精度低下が発 ３ プーリの歯数 生するため、メンテナンスの配慮が必減速比（1/n） （記号：Z） 要。 タ イ 　また、ベルトピッチは inch 系で製作 ミ されており、指令パルスと送り量の設 ン 定を考える場合、mm換算では端数を グ 生じるので注意が必要。 ベ 基本公式 ル プ ト ー タイミングプーリ ΔS (mm) ＝ PT(mm) × Z× 1/n リ と ベ ル ト プーリの歯 の イ メ ー タイミングベルト ジ ○主として大型の搬送機系に使われるこ とが多い駆動方式。 チェーン ○長距離を高速で送る場合に適してい る。 ○チェーンピッチはタイミングベルト同 様 inch 系であり、送り量設定には注 ４ 意が必要。また、初期伸びが生じて精 チ 度に影響をおよぼすことを考慮に入れ ェ ベルトピッチ た対策が必要。 ー （記号：PC） 基本公式 ン スプロケットの歯数 ΔS (mm) ＝ PC (mm) × Z× 1/n （記号：Z） 減速比（1/n） 16

駆動方式の種類 特徴と基本公式 ワーク（材料） ○ロールを回転させて摩擦力によりワーク を送る方式。 送りロール ○プレスマシン用ロールフィーダに代表さ ５ れる定寸送りや、フィルムシート、紙な どの送り（ドロー制御やカッターなど） Ａ ロ ー に多用されている。 Ｃ ル ○位置決め精度を向上させるためには、ロー サ フ 送りロールの径 ルと材料間のすべりを防ぎ、ロールを正 ー ィ （記号：D） 確な真円に加工する必要がある。 ボ ー ○元来πが無理数であることから、指令パ ド ルスと送り量の換算の端数は避けられず 補正が必要。 減速比（1/n） 基本公式 ΔS (mm) ＝π×D (mm) × 1/n ○走行台車にサーボモータを搭載し、走行 台車 の駆動源として用いる方式。 ○左図のように、駆動用の車輪をサーボモー タが回転させる方式が一般的であるが、 車輪とレール間のスベリが発生しないよ う十分な配慮が必要。 ○左図以外の方式としては、ラック＆ピニ オンを用いて、ラック固定にてピニオン 部を走行させる機構も多く用いられてい ６ 駆動輪（左右両輪） る。 台 台車駆動機構部 基本公式 車 ΔS (mm) ＝π×D (mm) × 1/n 走 行 ギア減速比 （1/n） 駆動輪の径（記号：D） 17

10 目で見るサーボの主な適用・用途例 （1）X － Y テーブル パルス列 ○三菱シーケンサMELSEC-Aシリー ズで、任意にプログラムを組んで連 LD75D2 MR-J4-A MR-J4-A 続的にX－Y専用テーブルをACサー ボにより高速、高精度な位置決めを HG-KR 行う。 ○使用機器 HG-KRサーボモータ MR-J4-A サーボアンプ LD75D2位置決めユニット HG-KR （2）搬送機（垂直） ○ LD75D1位置決めユニットのプログ ラムにより昇降リフタの搬送位置決 パ LD75D1 めを行う。 ル 停電時落下防止のため電磁ブレーキ ス リフタ 列 付サーボモータを使用する。 ○使用機器 HG-SRサーボモータ MR-RB30 MR-J4-A サーボアンプ 回生オプション MR-RB30 回生オプション MR-J4-A LD75D1位置決めユニット HG-SR （3）周期送り（塗装ライン） ○センサにより製品の位置を検出しエ ンコーダ信号により同期送りをする。 所定距離送ってから原位置へ戻り、 次製品の到着を待つ。 セ ○使用機器 MR-J4-B ン HG-SRサーボモータ サ MR-J4-B サーボアンプ モーションコントローラ 同期用エンコーダ HG-SR 18