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精机产品・技术报告：直驱马达的技术动向

  • 1. 前言
  • 2. 大扭矩马达TM的开发动向
    • 2.1. 永久磁铁型同步马达的开发
      • 2.1.1. VR型马达和永久磁铁同步马达的比较
      • 2.1.2. 最优磁极形状的设计
      • 2.1.3. 马达的输出特性
    • 2.2. 全新的控制方式的开发
      • 2.2.1. 高跟踪控制
      • 2.2.2. 干扰探测器
    • 2.3. 定位性能试验结果
      • 2.3.1. 高速定位试验
      • 2.3.2. 高精度定位（步进进给）试验
      • 2.3.3. 低负载刚度时的定位试验
  • 3. 大扭矩马达的特长
    • 3.1. PS系列的特长
    • 3.2. PN系列的特长
    • 3.3. PNZ系列的特长
    • 3.4. PX系列的特长
  • 4. 后记

1. 前言

公海赌赌船jcjc710从1985年开始发售商品名称定为“大扭矩马达”的能够直接驱动负载的直驱马达（以下简称DD马达） 【参考文献1),2),3)】。DD马达去除了[伺服马达+减速器]或机械式特征所导致的滞后或背隙。采用轴承内藏的形式，作为驱动直接承载，没有必要设计附加的支撑结构，是一种为小型化和节省空间的装置作出了贡献的传动装置。
开发之始，DD马达主要关注在产业机器人的直接驱动上，之后，作为FA用的直驱马达被逐渐实用化，现在，以半导体及液晶装置、CD/DVD制造装置为开端，组装设备、检查设备等的引导，作为搬送机构被越来越广泛的使用【 参考文献4)】，作为FA用的传动装置的认知度也在逐步提高。
随着被使用的领域扩大，导向作用根据对象产品的细微化，要求高精度的定位，还有，搬送用途，从生产率提高上，也要求更高速的定位。
本稿，主要对作为永久磁铁形同期马达的新开发大扭矩PS系列进行说明，着重介绍实现马达技术和高速定位的新控制方法，其次介绍对应用这些技术的开发产品的特长。

2. 大扭矩马达的开发动向

2.1. 永久磁铁型同步马达的开发

2.1.1. VR型马达和永久磁铁型同步马达的比较

以前的大扭矩马达的力矩发生原理，采用小齿凸极结构的磁阻变化而产生力矩的VR型（可变磁阻型）。通过不使用磁铁，增加小齿数，更容易实现多极化，可在低速时得到高力矩。另一方面，转子和加工状态的间隙是通过实施磨削加工产生，需要0.1mm左右的间隙管理。 VR型马达由于绕组的电感变得大，在驱动频率变高的高速阶段，根据电机绕组电流的响应迟滞，力矩有减少的倾向。
图1是一般的CD/DVD的制造生产线上的搬送装置。

図1 CD/DVD生产线的搬送手臂和送料台

磁盘的送料台和程序装置方面之间，由进行磁盘传送的搬送手臂构成。搬送，送料并不会增加CD/DVD的附加价值，因此，此工序的搬送时间要求极力缩短。特别是搬送手臂在搬送的角度大(180度以上)的情况下，为了尽可能缩短搬送时间，必须提高马达的最大转速，还有，也要尽可能抑制搬送需要的空间。因此，由于DD马达必须小型化和高速化，以前的VR型马达就有一定的对应界限。
另外，永久磁铁中稀土类Nd2Fe14B磁铁（钕磁铁）能级高（约320～440 kJ/m3），最近因为价格低在一般马达中逐渐被广泛使用【参考文献5)】。
根据以上的这种情况，开发出了可高速回转的永久磁铁型同步大扭矩马达。 

2.1.2. 最合适磁极形状的设计

针对马达的设计，为了实现力矩脉冲、齿槽效应力矩的高精度定位，在马达核心添加磁通密度分布的解析，逐步改进设计。
通过使用有限元法(FEM)进行磁场分析，在实机中得到了验证。
为确认大多数参数的影响，构筑一个可能实施自动解析的系统，该系统从做出一个主要尺寸和各部件的表格开始，再做成FEM模型，然后到输入条件并实行解析，来提高设计的效率。自动生成的FEM模型的磁通密度分布图如图2所示。

图2 FEM模型和磁通密度分布图

2.1.3. 马达的输出特性

PS1006的摩擦力矩-转速特性（N-T特性曲线）如图3所示。

图3 力矩-转速特性

与原有产品A和B进行比较，最大输出力矩增大2倍，同时，高速范围内的摩擦力矩特性有了大幅的改善。
图4所示为重量较轻的物体（负载惯量：0.007 kgm2）在180°定位操作时，与定位时间进行比较的结果。

图4 180°定位比较

以前产品的最高转速大约是3s-1。PS1006系列的最高回转速度是10s-1，在原有产品A的约50%时间内即可完成定位。
为实现高速定位，就必须提高最高回转速度以及实现马达的高力矩化。 

2.2. 开发新的控制方式

以缩短定位时间为目的，公海赌赌船jcjc710针对PM型直线马达的控制方式，正在开发一种新的控制方式【参考文献6),7)】。由于廉价且性能高的CPμ的普及，适用于高速运算处理的新的控制方式变得越来越容易，所以在大扭矩马达中引用了这种新的控制方式。
缩短定位时间有必要做到以下几点：
  • （１） 马达转速的高速化
  • （２） 马达在运行过程中，提高马达对位置指令的实际的跟踪特性。
  • （３） 加快位置指令结束后的整定时间。
第（1）点可以通过永久磁铁型马达实现，第（2）（3）点可以通过控制技术实现。

2.2.1. 高跟踪控制

为了实现在短时间内完成整合，要尽可能的减小马达在回转过程中的跟踪误差。因此，此次开发通过补偿对定位动作指令的相位延迟，采用了改善响应能力的高跟踪控制系统。
根据反馈控制使控制对象更稳定，一般在高频领域存在相位延迟。
考虑到要进行高速定位动作，需要从目标值及位置指令开始到控制输出（马达的回转角度）都能延迟。假设在反馈控制系统前，能够通过拥有与之相反的特性的前馈控制器来进行补偿，从目标值到输出的传导特性即是“1”，就能够实现按照指令进行定位。

存在运用 这种考虑方法的零相位差的跟踪控制器（ZPETC） 【参考文献8)】。
因反馈控制而得到稳定化的控制对象的离散时间模型 如下所示。

但是，

这时，ZPETC的输出μ(k)由下式得到。
但是，

位置控制循环以及速度控制循环按照一定比例进行控制，得到适用于稳定化的大扭矩马达，如下所示。
根据公式（7），闭式循环系统的输入值的作成，需要2个取样调查地址的指令情报。此处的K、a0～a3是由马达的负载惯量或各个控制环的增益及定常数决定的。一般，这种这些没有因果关系的特性是实现不了的。但是，如果有位置指令脉冲发生功能，能够事前在驱动单元内部获得指令信息的话就有可能实现。
进行上述的前馈补偿，从目标位置指令值到马达的旋转角度的传递函数，理想情况下，具有以下的零相位响应特性。
此处，决定上述常数k，a0～a3时使用的负荷惯性偏转力矩值与实际值存在偏差，因模型化误差的影响无法得到零相位特性。因此，通过适用于以下说明的干扰，进行自适应性保证，使模型化误差的影响减少。
根据预测前反馈控制，从马达的位置指令到马达的旋转角度的频率特性，到奈奎斯特频率附近理想条件下取1。然而，为提高马达的跟踪性能，没有必要将控制频带提高到奈奎斯特频率附近。如将控制频带提高到奈奎斯特频率附近，在高频区的指令的量化误差将产生不良的影响。因此，只能除去高频分量，而且没有相位延迟，采用零相位过滤器，对预测前反馈的相位特性不产生影响的条件下，过滤过剩的频率成分。

2.2.2. 干扰探测器

以前的P-PI方式9) ，通过定位控制循环进行比例控制，速率控制循环进行比例控制和积分控制，把由摩擦等干扰产生的定态误差化作为0。如果使用积分控制，为提高积分增益，需要同时把比例控制的增益也提高。因为如果不能充分地提高比例增益，积分增益的上限必然会受到限制，无法满足期望的抑制干扰特性，控制性能的退化和整合时间的缩短也存在对应界限。
为此，本开发为了提高抑制干扰特性，采用了干扰探测器（如图5）。  

图5 干扰探测器

这样就可以从力矩命令τ 和位置输出θ推测出力矩对马达的干扰 ，通过低通滤波器Q(s)进行前馈补偿，来抵消干扰的影响的控制方式。
此时，位置输出θ通过以下传递函数表示。

图6是图5通过等价变换而得的结构图。 

图6 等价变换后的结构图

图6所示，可以通过这种构造进行抑制低通滤波器Q(s)的滤波频率外的干扰影响。
如果在用干扰探测器时，根据在速率控制循环的增益受到规定的积分控制方式进行比较，构成对干扰控制更强的系统，能实现更快的整定。

2.3. 定位性能试验的结果

2.3.1. 高速定位试验

 图7是相同尺寸的新旧大扭矩马达的定位性能对比的试验结果。 

图7 定位时间比较结果

原产品A为大扭矩马JS1003，新的大扭矩马为PS1006。 针对180°的定位动作，JS1003的定位时间是330ms，PS1006是146.5ms，是原产品A的1/2以下。同时，相比新开发出的高跟踪特性控制方式，运行时的跟踪偏差量PS1006大约为40脉冲（从与原产品同样的位置传感器分辨率614400点数/rev换算而来的情况），约是原来方式的1/500，实现了非常小的偏差量的高跟踪性。
 另外，整合时间也由原产品的50ms大幅缩短到了PS1006的1ms。

2.3.2. 高精度定位（断续进给定位）试验

PS系列的马达位置检测分辨率是2,621,440脉冲。图8所示为1脉冲对应的断续进给定位的试验结果。

图8 步进进给定位试验结果

在每1秒的时间内进行1脉冲定位，先按照顺时针方向回转，之后，在同一条件下按照逆时针方向回转，如此进行重复动作，共计10脉冲。测量数据是从马达中心200mm的位置通过间隙传感器测量的。
对2,621,440脉冲中的1脉冲的移动进行确认，能获得高精度的定位。

2.3.3. 低刚度承载时的定位试验

马达和负载作用在很细的轴上时，或者是刚度低的悬臂负载作用的情况时，马达因共振点的影响产生振动，越是在刚度高的负载作用的场合，越是不能过高设定增益。
在这种情况下，按照以下方法进行对应。

  • ① 在马达输出轴附近安装惰轮圆盘，将共振点将反共振点侧移动，从而减小共振的影响。这种情况下根据直接驱动的惰轮圆盘来提高伺服增益，使提高定位的稳定性成为可能。
  • ② 用陷波滤波器等的差动装置，改善受控系统的特性，降低谐振点的增益。

  此处，通过安装在悬臂上的花键，介绍相对于悬臂的定位试验结果。

图9 低刚度承载装置

试验装置的频谱特性（如图10）中的反共振点为68Hz，而该装置的共振点为260Hz。

图10 低刚度承载装置的频率特性

以前的陷波滤波器把消除频带的尖锐度Q值固定,不过此次，为与适用的负荷特性相匹配，条件参数可以随意设定，进行最优化的调整(如图11)。 

图11 陷波滤波器的频率特性

图12中的(1)、 (2)、 (3)分别是无任何其他对策，采用惰轮圆盘以及采用陷波滤波器时，在 90°定位试验下的试验结果。 

图12 低刚度负载的定位试验结果

图（1）没有任何对策时，因共振频率的影响，定位无法完成并会存在残留的振动。图（2）安装惰轮圆盘时，在通过陷波滤波器降低共振点的增益的条件下，任何位置都几乎没有振动残留并且能够完成定位。图（3）在采用陷波滤波器进行补偿的条件下，与安装惰轮圆盘时相比，因转动惯量的影响，能够提高设定的加减速度，进而实现缩短定位时间。

3. 大扭矩马达的特点

3.1.PS系列DD马达的特点

大扭矩马达PS系列（如图13）有以下特点。

图13 大扭矩马达TMPS系列
  • ① 可缩短定位时间
    最高转速从原来的3s -1提高到10s-1。运行到目标位置的整合时间缩短到原来的1/5以下。
  • ② 马达的小型化・高扭矩化
    使用高能量积的永久磁铁，并采用最优化的设计，使单位面积的推力（推力密度）提高到了原来的马达的2倍。因此，得以实现马达的小型化及高扭矩化。
  • ③ 搭载小型・高精度的绝对位置检测器
    采用与原机型相同的耐环境性好的分相器。通过磁极构造的最优化设计，与原产品相比减小了2/3，检测精度达到了90秒（1秒 = 1度 / 3600）。
  • ④ 驱动单元的小型化
    通过采用专用模块，与过去相比实现了65％的小型化。

3.2.PN系列DD马达的特点

大扭矩马达PN系列（如图14）有以下特点。

图14 大扭矩马达TMPN系列
  • ① 通过独特的内部构造实现薄型化和高刚度
    与本公司原产品相比实现了最大32%的薄型化（125mm ⇒ 85mm），抗弯刚度提高了25%，为装置的小型化和轻量化作出了贡献。
  • ② 通过高转矩可缩短定位时间
    与本公司原产品相比，转矩最大可提高50%（120Nm ⇒ 180Nm），因此使缩短定位时间成为可能。另外，通过最优化的绕组设计可实现较低发热下进行驱动。

另外，PN系列附带刹车装置（如图15），还有以下特点。

图15 大扭矩马达TMPN系列（附带刹车装置）
  • ① 反运行刹车的采用对安全性作出的贡献
    突然断电时，安装有反运行型的刹车装置能防止误回转。特别是安装在墙壁上承受不平衡负载的马达，能够保证其安全性。
  • ② 无齿隙的刹车装置的采用对生产性作出了贡献
    采用在刹车动作中没有延迟等的无齿隙刹车装置，通过在加工或组装过程中进行刹车动作，保证即使在受到外力的条件下也能保持在正确的位置。因此，实现了高精度的加工或者是品质的稳定性。

3.3.PNZ系列DD马达的特点

大扭矩马达PNZ系列（如图16）有以下特点。

图16 大扭矩马达TMPNZ系列
  • ① 世界首次适用于IEC规格的防尘・防水等级IP66M※1,※2
    采用最适合DD马达特有的保护机构，可以防止高压喷射水的侵入。由此，可适用于IEC（国际电气基准会议）规格中所规定的保护等级IP66M ※1。
  • ② 世界范围内最薄最小型化的防尘・防水型DD马达。
    通过大扭矩马达的高精度・大扭矩化技术以及信赖性高的薄型密封技术的融合，实现了适用于IP66M的世界最薄最小型化的（体积／扭矩）DD马达（如图17）。

※1 实现了国际电气标准会议（IEC）中的防止高压喷射水侵入的保护等级IP66M的直驱马达。（2010年6月　公海赌赌船jcjc710调查结果）
※2 已经被第三方テュフ ラインランド ジャパン所证明（IEC60529、IEC60034-5） 。 

图17 大扭矩马达TMPNZ系列(防水试验）

3.4. PX系列DD马达的特点

大扭矩马达PX系列（如图18）有以下特点。

图18 大扭矩马达TMPX系列
  • ① 通过高加减速缩短定位时间
    由于在马达的可动部件(转子)外周配置高输出的绕组，惯性偏转力矩极小，使加减速性能（到达目标转速为止的时间）与过去相比提高了约2倍。
  • ② 通过强化结构提高运行精度
    由于提高马达的刚度，抑制回转工作台的振动，可提高马达的精度。还有，为了不对马达产生不良影响，采用了马达的发热不容易传到回转工作台的结构。
  • ③ 紧凑的尺寸以及较大的中空径
    把外径尺寸限定在与原产品相同的Φ160mm，Φ35mm的空中孔可确保吸附喷嘴的配管或信号线的铺设。另外，因为马达外周部没有突起，更容易配置周边机器。

4. 后序

介绍说明了高速、高精度的大扭矩马达PS系列所采用的技术。另外，运用PS系列技术开发出了PN系列、PNZ系列、PX系列，并对各系列的特点进行了介绍。
针对于收集到的对大扭矩马达的各种各样的要求或期待，FA用大扭矩马达作为驱动装置，为了使其使用变得更方便，用途变得更广泛，今后还会继续进行新技术和新产品的开发。 

参考文献

  • 1) 猪俣忠雄，“大扭矩马达”， 公海赌赌船jcjc710 Technical Joμrnal，649(1991)37-44。
  • 2) 猪俣忠雄，“直接驱动技术”，机械研究，第44卷第1号（1992）117-122。
  • 3) 山口义治，“作为机器人用驱动装置的大扭矩马达”，电气学会志（1987）107卷10号1023-1026。
  • 4) 小林诚一，“直驱马达的应用”，设计工学，37-3（2002）311-317。
  • 5) 菊地亮，谷川茂穗，“稀土类磁石的高性能化”，日立金属技报，15（1999）111-114。
  • 6) 小林诚一，Carle·Campe，“采用干扰探测器和前馈控制的引线键合机定位控制”， 公海赌赌船jcjc710 Technical Joμrnal，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) 尺田浩志，小林诚一，“直驱马达的控制”， 公海赌赌船jcjc710 Technical Joμrnal，653 (1992) 42-49。