モータを制御するための基本構成

モータ制御を制するための必須６要素技術！

単純にモータを回転させるだけならば、例えばＤＣモータに駆動電源をつなぎ、電圧を与えれば回転します。しかし、モータの回転速度や回転方向をコントロー

1ルしながら機械を動かすとなると、モータと駆動電源のほかに、駆動回路（ドライバ）、制御回路（コントローラ）、センサなどが必要になります。そして、これらを駆動システムとして組み合わせる力も求められます。さらに、滑らかで高速・高精度に動かしたいとなると、制御方式などを考慮しながら検討しなければなりません。モータを用いた駆動システムは、①モータ、②負荷・メカニズム、③駆2く異なる特性になります。したがって、モータを制御するための基本構成について、それぞれ単独に、そして、総合的に理解しましょう。

3モータを用いた駆動システム① モータ② 負荷・メカニズム③ 駆動回路（ドライバ・アンプ）④ 駆動電源（直流と交流）⑤ 制御回路（コントローラ）⑥ 制御方式

4センサ⑤制御回路⑥（制御方式）

③駆動回路
③駆動回路

②負荷・メカニズム①モータ

電気エネルギー

5

機械エネルギー

DCモータ
ACモータ
ステッピングモータサーボモータ④駆動電源

6直流電源 交流電源

●モータを制御するための基本構成

2モータの種類は非常にたくさんあり、その使い方も広範囲に渡っています。その中でも代表的なモータは、ＤＣモータ、ＡＣモータ、ステッピ
ングモータ、サーボモータです。
第負荷・メカニズム

1

負荷とは、モータ側からすればワークやメカニズムなど回転や移動させる対象物を指します。負荷は、形や大きさ、重量などで慣性が変わり、これによって、運動特性や消費されるエネルギーも変わります。

駆動回路（ドライバ・アンプ）
駆動回路は、モータドライバ（またはアンプ）といいます。ドライバは、負荷を動かすために必要な電流量をモータに与え、ON/OFF（電流を流したり、流さなかったり）を切り替えながらモータを運転します。

駆動電源（直流電源と交流電源）
駆動電源は、直流電源（電流の方向が一定）と交流電源（電流の方向が周期的に変わる）の二種類があります。電源によって、モータ、駆動回路、制御回路、制御方式が大きく変わります。

制御回路（コントローラ）
制御回路（コントローラ）は、センサやスイッチなどから様々な信号を受け取って、モータを制御するために必要な指令をドライバに与えます。
コントローラは１台で複数のモータ（＋ドライバ）に、それぞれ指令を与え、異なった動きをさせることができます。

制御方式
たくさんのモータがあるのと同じように、目的や要求精度に応じて制御方式も様々です。ＰＷＭ制御やＰＩＤ制御はモータを効率的に、そして、滑らかに動かす代表的な制御方式です。目的を実現するためのトルク制
御、速度制御、位置制御などとともに、制御方式について考える必要があります。

3章

モータ制御のための基礎知識について知っておくべきこと動回路、④駆動電源、⑤制御回路、⑥制御方式などの組み合わせ次第で、まったモータ

モータはエネルギー変換機器であるモータのエネルギー効率を考慮する

モータは、電気エネルギー（電力）を機械エネルギー（動力）に変換する機器です。

電気モータがすばらしい点は、なんといってもエネルギー変換効率が高いこと

モータを思い通りに動かすために、まずはじめに、どのような制約の下で、機です。摩擦や空気抵抗のあるものは、運動した際に、一部あるいはすべてが熱に械をどのように動かしたいのかをはっきりとさせます。

変わって損失されてしまいます。ガソリンエンジンの変換効率は約 30%、ディー目的の動作、つまり、仕様が決まると、これを動かすための運動やメカニズムも具体的に決まり、必要な動力（トルク×回転数）を求めることができます。
必要な力（＝トルク）や必要な回転数（＝速度）がわかると、どのくらいの電力が必要になるのかを見積ることができます。

ゼルエンジンでは約 40%程度といわれています。これに対して、電気モータは、効率の低いモータで約 60%、高いモータで約 95%です。これは、電気エネルギー（電力）のほとんどが機械エネルギー（動力）に変換できるということです。
こうした変換効率は、設計一つで大きくもなるし、小さくもなります。例えば、
下図のようにモータに電力を与え、ある機械運動をさせたとします。その中間でイコールの関係です。しかし、実際には、消費電力のすべては動力として変換さは、減速機などの伝達機構が必要になります。それぞれの連結部分ではエネルギーれるわけではありません。消費電力×モータ効率＝動力として計算されます。

損失が生じますので、構成要素の数はできるだけ少なくして、構造の簡略化が望まれます。また、①ベルトとプーリの場合と②減速機の場合とでは損失は大きく変換異なりますし、運動の速さ（低速・中速・高速）や負荷の重さの違いでも効率は変わります。

モータ効率[％]

機械エネルギー

電気エネルギー

電圧 × 電流
[V]
[A]

DCモータ

ACモータ

ステッピングモータ
サーボモータ回転数
トルク
×[r/min]
[N・m]

目的の動作

損失
エネルギー

出力

電気エネルギー
ドライバ

モータ

損失
エネルギー

調整

損失
エネルギー

入力
角加速度
慣性モーメント×[rad/s2][kg・m2]

どのような制約？
どのように動かす？
運動特性

損失
エネルギー

損失
エネルギー

動力[W]

モータ

電力[W]

入力電力
［W］
＝損失＋機械出力
電源

減速機構

動力伝達機構

機械運動
機械エネルギー

センサ

変換機構

運動メカニズム

速度[m/s]

動力の伝達機構

角速度[m/s2]

歯車、カム、リンク、ベルト＆プーリなど

加速度[rad/s]
角加速度[rad/s2]

回転運動

変位[m]

直進運動

力[N]

揺動運動

4

①ベルトとプーリの場合②減速機の場合
減速機
機械モータ
機械モータ

5

章

モータ制御のための基礎知識について知っておくべきことモータの消費電力［W］は、電圧［V］と電流［A］の積で、理想的には動力と第1モータの性能を表す
トルクと回転数
モータは、パワー（出力）が大きいものから小さいものまで様々にあります。
選定した後で、容量不足のために機械が動かない、モータが回らないということ

モータに関する諸々の単位
モータに関する諸々の量を表す単位は、種々にあります。ここでは、（ＳＩ）単位とその他の単位の換算表を示します。のないように設計しなければなりません。そのためには、どのくらいの力（トルク）が必要か、どれくらいの回転数（回転速度）が必要なのか、動力について調① 重さべる必要があります。機械の動力を調べるといっても、角速度とトルクから調べる、回転速度とトルクから調べるなどあり、設計者が混乱する点でもあります。特に、カタログでは従来の単位表記と現在のＳＩ単位表記がそれぞれ異なった表記で記③トルク

機械の動力の求め方[1] P[W]＝

ω×

角速度

T
トルク[rad/s][N・m][2] P[W] ＝ ２π × N× T

回転速度[r/min][3] P[W] ＝② 長さ×n

T
トルク

回転数

[N・m]

[rpm]

トルク
[N・m]

動力:P[W]
角速度:ω[rad/s]
回転速度:N[r/s]
トルク:T[N・m]とすると、（回転力）

動力P[W]＝角速度ω[rad/s]×トルクT[N・m]で表すことができ、この式で動力P[W]が計算できます。
(P＝ωTと暗記する良いと思います。)④回転速度

ω[rad/s]＝2π×N[r/s]ですので動力P[W]＝2π×N[r/s]×トルクT[N・m]と変形出来ます。
ここで、回転速度を毎分の回転速度N[r/min]としますと、

× ２π/60
0.1047係数

動力P[W]＝2π×N[r/min]/60×トルクT[N・m]となります。この式を変形しますと、
動力P[W]＝2π/60×N[r/min]×T[N・m]となります。1[W]＝1/1000[kW]ですので［rpm］から［rad/s］に単位を変換するとＮ[rpm]は一分間でn回まわるということω[rad/s]は一秒間でωラジアンまわるということ
ちなみに、2π[rad]は、ぐるっと一回まわること（１回転）

動力P[kW]＝2π/60×N[r/min]×T[N・m]×1/1000（回転数）⑤出力数と逆起電力定数

動力P[kW]＝2π/60000×N[r/min]×T[N・m]
動力P[kW]＝π/30000×N[r/min]×T[N・m]ＥＸ：6000[rpm]は何[rad/s]?

所要動力P[kW]＝1/9550×N[r/min]×T[N・m]

6000[rpm]＝6000×２π60

動力P[kW]＝1/(30000/π)×N[r/min]×T[N・m]⑦慣性モー

動力P[kW]＝1/9549.297×N[r/min]×T[N・m]メント

これを整理しますと、（イナーの式が得られます。

[rad/s]Ib（ポンド）
2.205
0.002205oz（オンス）
35.27
0.035270.45360.02835

453.6
28.35

10.0625161m（SI）
10.010.0254シャー）

cm
100
12.540in（インチ）
39.37
0.3937
1N・m（SI）
1
0.098079.807×10−5
0.007061

kg・cm
10.20
10.0010.07200

g・cm
10200
1000
172oz・in
141.6
13.89
0.01389
1rad/s（SI）
1
6.283
0.1047104.7

rps
0.159210.01667
16.67

rpm
9.549
60
11000

krpm
0.009549
0.060.001
1W（SI）
11000
750

⑥トルク定

動力P[kW]＝2π/(60×1000)×N[r/min]×T[N・m]単位をそろえる
１分間でn回１秒間でｎ/60回１秒間でｎ/60回×２π[rad]

0.001

g1000
1kW0.001
10.750N・m/A（SI）
10.09807
0.007061
0.009549

トルク定数（Kt）
kg・cm/A
10.2
10.07200
0.09738oz・in/A
141.6
13.89
1
1.352

kg・m2（SI）
10.0001
2.5×10−59.807×10−5
0.007061

kg・cm2
10000
10.2500
0.980770.61

2
2
GD（kg・cm）
40000
4
1
3.922
282.4

HP（馬力）
0.0013331.333
1逆起電力定数（Ke）
V・s/rad（SI）
V/krpm1104.7
0.09807
10.27
0.0070610.7394
0.009549
1g・cm・s2
10200
1.020
0.2549172oz・in・s2
141.6
0.014160.003541
0.013891※回転数 rpm ＝ min − 1 ＝ r/min

67

第1章

モータ制御のための基礎知識について知っておくべきこと載されている場合があります。動力の求め方、単位変換には慣れておきましょう。

kg（SI）
1