DCドライブへの切り替え：産業モーション制御におけるACサーボの信頼性ある代替案

交流（AC）駆動サーボシステムは、産業モーション制御における唯一の信頼できる選択肢ではなくなりました。直流（DC）ステッパーおよびサーボモーター・ドライブの進歩が堅牢な代替案を提供しています。多くの従来型低電圧DCドライブは過酷なプラント環境の厳しさに耐えられませんでしたが、現代の高性能ドライブがこの状況を好転させています。

ステッパーとサーボの違い

ACとDCシステムを比較する前に、ステッパーとサーボの重要な違いをいくつか挙げます。ステッパードライブ精度の進歩により用途範囲が大幅に拡大し、ステッパーとサーボのモーター・ドライブ間の適用ギャップは急速に縮小しています。しかし、依然として主要な性能差が最も要求の厳しい用途でのステッパー使用を排除しています。

最も顕著なのは、ステッパーは低速で高トルクを提供するが、速度増加に伴い大幅に低下すること。一方サーボは、モーター速度スペクトル全体で一貫したトルクを維持し、アクティブブレーキによる安全制限トルク（SLT）と速度（SLS）などの安全機能実行に優れています。

ステッパーはセーフトルクオフ（STO）安全制御手段を提供し、通常オープンループで運転可能（エンコーダーやリゾルバー不要）。サーボはステッパーより高速・高加速・高精度だが、コストが高く、精密位置決めフィードバックのためエンコーダーが必要。

技術的には一回転あたり50〜100極を持つ現代ステッパーの各パルスによる増分的動作は離散的ですが、アナログ連続位置決めと速度の性能に近づいています。これによりステッパーは多くの用途でサーボの実行可能な代替案となります。

AC電源が不適切な用途でのDCドライブの利点

中・高電圧AC可変周波数ドライブとサーボドライブは典型的プラントフロアの多くのニーズを満たしますが、特定用途ではAC電源が利用不可または不適切。最も顕著なのは、バッテリー駆動と人体接触用途。例えば磁気共鳴画像（図1）でロボットやコボットを使用する場合。

さらに、現代の低電圧DCドライブ（図2）は、従来ACシステムよりコンパクトで効率的、高速モーター加減速、設定が通常より簡単という理由で他用途も強化可能。コンシューマーグレードドライブとは異なり、工業用に強化され、極端な温度、振動、電気ノイズに耐性。

安全システムでの活用

安全システムで使用する場合、エンジニアは低電圧ステッパードライブのハードウェアSTO機能を活用し、モーターへのトルク・推力生成エネルギー供給を直接遮断可能。DCサーボドライブは設定可能なSLTとSLSで安全対応。これらドライブはモーターデータ収集インターフェースを提供し、互換コントローラーがプログラミング環境で設定されたモーターステータスを処理・対応可能。PLCがドライブと通信し、ソフトウェア埋め込み技術オブジェクトを通じてモーション制御、オートメーションシステム全体とのシームレス統合を実現（図3）。

メンテナンス性と適用範囲

DCステッパードライブとモーターは比較的少ないコンポーネントで構成され、電子整流DCサーボモーターはファンやブラシなど摩耗部品がない利点を持ちます。これらの属性により、両DCステッパーとサーボシステムは最小限のメンテナンスで長期間耐久可能。両ドライブタイプは、幅広い可変速度、位置決め、同期軸、ギアリング用途に適しています。

多くの場合、エンジニアとデザイナーは産業用途でまず従来ACドライブを検討します。しかし、超低電圧産業用DCステッパーとサーボドライブは、信頼性が高く高度に設定可能なモーター制御を提供し、適切に選択すれば産業用途ニーズを満たします。

この記事は、シーメンスインダストリーのSIMATICモーションコントローラー製品マーケティングマネージャー、ケビン・ウー氏によって執筆されました。詳細情報はこちらをご覧ください。