精密モーター制御のためのエンコーダータイプ完全ガイド

エンコーダーの種類について、モーターを必要とするアプリケーションでは精密制御が不可欠です。回路で精密制御の問題が発生したとき、最初に思い浮かぶのはステッピングモーターです。

しかし、すべての状況でそんな極端な手段が必要なわけではありません。ロータリーモーターシャフトのような小規模プロジェクトで精密制御が必要な場合、この記事が最適です。

これらの問題への簡単な解決策はエンコーダーモーターです。

エンコーダーは、精密制御問題に対するより安価でシンプルな解決策です。しかし、その仕組みを理解するのは難しいかもしれません。

幸い、この記事ではエンコーダーの仕組み、種類、さまざまな用途を紹介します。

準備はいいですか？では始めましょう！

エンコーダーモーターとは？

ステッピングモーターが非効率でコスト高な状況では、エンコーダーモーターが必要です。

ステッピングモーターとは異なり、エンコーダーモーターは背面にロータリーエンコーダーを備え、システムにフィードバック信号を送ります。

どうやって？ロータリーエンコーダーを使用してモーターシャフトの位置と速度を追跡します。

ここが一番のポイントです。

市場には幅広い種類のエンコーダーモーターがあります。これらのモーターの一部はアブソリュートまたはインクリメンタル、他は磁気式または光学式です。

つまり、エンコーダーのタイプはサイズ、形状、アプリケーションタイプに大きく依存します。

エンコーダー図

エンコーダーの仕組み

任意のロータリーエンコーダーにはAとBのラベルが付いた2つの出力があります。時々、これら2つの出力は信号生成という類似の機能を実行します。これらの信号は磁気、光学、抵抗のいずれかです。最も一般的なのは光学エンコーダーで、光の遮断に基づいて信号を出力します。

理解しやすい例を挙げます。メーカーによって異なりますが、ロータリーエンコーダーを、GNDまたはVcc（電圧コモンコレクター）で作られたエンコーダー内部のステッチのように考えることができます。エンコーダー内で回転運動があると、共通端子がA端子またはB端子のいずれかに接触します。

エンコーダーが時計回りに回転すると、接点Aが最初にハイになり、続いて接点Bがハイになります。つまり、回転方向（反時計回りまたは時計回り）に関わらず、常に90度の位相シフトがあります。

デュアルバイナリエンコーダー

また、マイクロコントローラーを使用してこの位相シフトを簡単に検出できます。これにより回転方向を特定できます。一度これを行えば、ギアードエンコーダーモーターをお持ちの場合、RPMや回転角度を示すカウンターを増減できます。

モーターエンコーダーの種類

前述の通り、さまざまな機能、形状、サイズのエンコーダータイプがあります。しかし、市場で見つけられる主なモーターエンコーダーの種類は以下の通りです。

ACモーターエンコーダー

DCモーターだけでなく、エンコーダー付きACモーターも市場にあります。AC誘導は制御システムと汎用アプリケーションの一般的な選択肢です。なぜか？そのようなアプリケーションは長寿命で低コストだからです。速度制御を必要とする旋盤機械でこれらのモーターを見つけることができます。

ACモーターエンコーダーのもう1つの用途はロボティクスです。エンコーダーは、アプリケーション中常にロボットの動きの位置と経路に関する情報を提供します。

ステッピングモーターエンコーダー

何を考えているかお見通しです。なぜステッピングモーターがエンコーダーと連携するのでしょうか？精密制御こそステッピングモーターの得意分野のはずです。

しかし、そうではありません。

ステッピングモーターは精密制御が得意ですが、エンコーダーはステッピングモーターの性能に大きな影響を与えます。したがって、ステッピングモーターエンコーダーはエンコーダーと統合されたステッピングモーターです。

エンコーダー統合付きステッピングモーターシステムをクローズドループステッピングモーターと呼びます。これらのモーターは、オープンループの対応物よりもより安定性、滑らかさ、より高いトルクを提供します。

ステッピングモーターエンコーダーはクローズドループフィードバック制御を提供します。また、ステッピングモーターによるステップアウトを防止します。さらに、ステッピングモーターエンコーダーを光学エンコーダーとロータリーエンコーダーに分類できます。

DCモーターエンコーダー

これらは市場で見つけられる最も一般的なエンコーダーモータータイプです。通常、背面に磁気エンコーダーを取り付けた汎用DCモーターです。前面には、RPMを減らしトルクを増やすギアアセンブリがある場合があります。

また、エンコーダーはシステムにクローズドループフィードバックを提供し、RPMとドライブを調整して精密速度制御を可能にします。

つまり、DCモーターのフィードバック速度を制御できます。これはDCモーターエンコーダーがローターの速度を測定するメカニズムを提供するため可能です。

サーボモーターエンコーダー

サーボモーターの応用は、油圧、空圧、その他いくつかの電気機械的な動きの形式に代わる人気の選択肢となっています。

また、エンコーダー付きサーボモーターを工場自動化、ロボティクス、その他の精密制御操作など、さまざまな用途に使用できます。

サーボモーターエンコーダーは高トルク技術、小型、高効率をリーズナブルな価格で提供します。また、世界中の生産施設で標準採用されています。

エンコーダーテクノロジーの種類

アプリケーションに応じて選択できるさまざまな種類のロータリーエンコーダーを紹介します。

リニアエンコーダー

リニアエンコーダーは産業オートメーションと制御アプリケーションで一般的です。このデバイスはリニアスケールを使用して位置を決定します。

リニアエンコーダー

このスケール上には、スケールを読み取り位置を決定するセンサーがあります。さらに、デジタルノギスはリニアエンコーダーの完璧な例です。

リニアエンコーダーは、産業オートメーションツールのような高精度機器で見つけることができます。

また、リニアエンコーダーをアブソリュートまたはインクリメンタルと見なすこともできます。

光学エンコーダー

光学エンコーダーはこのリストで最も広く使用されているエンコーダーです。そのコンポーネントは光源、光検出回路、エンコーダーディスクです。

コードディスクからの光を使用してシャフトの動きを監視するモーションセンシングデバイスです。つまり、このエンコーダーは光の遮断に基づいてフィードバックを提供します。

光学エンコーダー

仕組みは以下の通りです：

まず、デバイスの電源を入れると光源がオンになります。光源はパターンと不透明なラインを持つ透明なエンコーダーディスクを通過する光ビームを放出します。

次に、フォトディテクターが光ビームを取得し、それに応答します。したがって、このプロセスは正弦波形を生成し、パルストレインまたは矩形波に変換されます。フォトディテクターを光検出回路と呼びます。

パルス信号は光＝オン、光なし＝オフです。これらの信号は電子基板を通じてカウンターに転送されます。最後に、カウンターが信号を送信し、適切な機能（回転、停止など）を生成します。

インクリメンタルエンコーダー

このタイプのエンコーダーは、シャフトの位置または角度運動をデジタルまたはアナログコードに変換します。このコードを使用して動きや位置を特定します。また、最も一般的に使用されるロータリーエンコーダーの1つです。

インクリメンタルエンコーダーはモーター速度と位置決めフィードバックアプリケーションにも使用できます。このようなアプリケーションには、重作業用、サーボ/軽負荷、産業用アプリケーションが含まれます。

また、インクリメンタルエンコーダーは優れた速度と距離フィードバックを提供します。複数のセンサーを必要としないため、システムがシンプルで低コストです。

インクリメンタルエンコーダーの唯一の限界は変化情報の提供のみであることです。このため、エンコーダーは参照デバイスを使用して動きを計算する必要があります。

インクリメンタルエンコーダー

アブソリュートエンコーダー

アブソリュートエンコーダーはこのリストで最も興味深いエンコーダーです。真のまたは絶対的な角度位置を測定します。角度位置の変化のみを計算するインクリメンタルエンコーダーの対極にあります。

ここが面白いところです。

電源投入時の動作でエンコーダーがアブソリュートかインクリメンタルかが決まります。したがって、エンコーダーが位置を取得するために「ウェイクアンドシェイク」プロセスを経る場合、それはインクリメンタルです。動きを必要とせずに位置を出力する場合、それはアブソリュートです。

アブソリュートエンコーダーはデジタル信号またはアナログ信号を出力として提供できます。これらの信号には、シリアル同期インターフェース（SSI）と0-10Vまたは4-20mAが含まれます。

アンギュラーエンコーダー

エンコーダーの用途

エンコーダーのさまざまな用途をいくつか紹介します：

航空宇宙

エンコーダーは、過酷な環境条件下で動作する際、航空宇宙アプリケーションで高精度モーションフィードバックを提供します。

航空宇宙

ボールネジ位置決め

エンコーダーをドライブモーターまたはドライブシャフトの端に取り付けると、モーションフィードバックを提供します。

ボールネジ位置決め

自動車両とロボット

エンコーダーは自動ロボティクスアプリケーションで精密モーションフィードバックを提供します。

自動ロボット

カット・ツー・レングス

ここでは、エンコーダーが固定量のパルスを生成します。これらのパルスがコントローラーに転送され、移動長さが決定されます。

まとめ

製品設計に最適なエンコーダーを選ぶことは重要です。これが、4種類のエンコーダーテクノロジーとエンコーダーモーターの違いを理解する必要がある理由です。

エンコーダー設定

テクノロジーが変化する中で、位置フィードバック要件に合ったエンコーダーを選択してください。

以上、エンコーダー、種類、さまざまな用途について知っておくべきすべてを解説しました。エンコーダーについてさらに情報が必要な場合は、お気軽にご連絡ください。喜んでお手伝いいたします。