目次

1. DCモータとは
2. DCモータの概要
3. モータ特性カーブ
4. 駆動系のモータ仕様
5. アームのモータ仕様
6. ラックとギアの仕様

DCモータとは


　一般的に言う直流モーターであり、直流電源で回すことができる。 ＤＣモーターは制御用モーターとして非常に優れた回転特性を有している。 例えば、大きな起動トルク、電圧変化に対するリニアな回転特性、入力電流に対する出力トルクの直線性、出力効率の良さなどおよそ制御用モーターに要求されるすべての性能を兼ね備えたモーターといえる。
※トルクとは、モーターの回転力のことであり、これが大きいほどその出力パワーも大きくなる。 ここでトルクとは日本語に訳すと回転力ということになるが、このトルクは直線運動における推進力に相当する。 また、トルクの単位は［kgf・m］で表されるが、これをＳＩ単位系になおすと［N・m］になる。

DCモータの概要

　MIRSのモータパワー制御は大きく分けて2つの部分から構成される。 一つ目は、モータの回転数、方向の命令をISAバスから受けてその信号を速度信号と方向信号に変えてモータパワー制御ボードに送る部分でFPGAボード内に形成される。 もう1つは、その信号をアナログ信号に変換して実際にモータを駆動させるモータパワー制御ボードである。 そしてこの二つはドーターボードを介して接続されている。 モータの制御方法としては、PWM制御というものを採用している。
　PWM制御についてはPWM制御技術調査参照。



モータの電流と回転数との関係

　モータートルクＴは一般に、モーター自身のトルク定数をKtとすると、流れる電流Iaに比例する。
　　　　　T=K_t×I_a
これより、モーターに流れる電流は、
　　　　　I_a=T÷K_t
となる。又、モーターの回転数Nは、逆起電圧Ecとほぼ比例する。
　　　　　E_c(N)=E_a-R_a×I_a より、
　　　　　N=E_c(N)/(E_c÷N')
[Ec(N)：モーター仕様の逆起電圧C[V]（N'[rpm]）］
という関係がある。


最大トルク

　電源電圧がモーターに供給されている時の関係式は、 　　
　　　E_a＝R_a×I_a＋E_c 　
Eaが供給された直後はモーターが回転していないので、Ecは０である。従ってモーター起動時の式は、
　　　　　E_a=R_a×I_a
　　　　　I_a=E_a÷_a
である。Iaは、このモーターの起動時の電流であり、これがこのモーターの最大電流である。 （この時モーターは最大トルクを生じる。 最大トルクを生じるのはこの時と過負荷で動けない時であり、過負荷が最大トルクを上回っていて起動できない時、　W=Ia²×R_a　のジュール熱を生じ、その熱によりモーターを損傷する恐れがある。 従って、負荷は最大トルクの30〜50%位にする。）
fig.1 モータ起動時の回路



モータ特性カーブ

モーターの性能

• モーターの電気的時定数(time constant)τｅを小さくする。
  τｅ＝L/Ra　（L:等価インダクタンス、Ra:巻線抵抗）
  ※時定数とは、変化の速度を表わす指標である。 　
  　電気的時定数とは、モータを拘束しておき、電機子に定電圧を印加してから電流がその飽和値の63%まで立ち上がるのに要する時間である。 これより、巻線抵抗が大きく、等価インダクタンスが小さければ良いことが分かる。
  fig.2モーターのT-N,T-I曲線
  
• 機械的時定数τｍを小さくする。
  　　　　　τｍ＝(Jm)／(Ke・Kt）　　　　(Jm：ロータイナーシャ、Ke:逆起電力定数
  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ra:電機子巻線抵抗、Kt:トルク定数）
  　従って、Jm、Raは小さく、Ke、Ktを大きくすればよい。
  ※機械的時定数...... 停止状態から無負荷回転数の63%まで加速するのに要する時間である。
  
  
• N-Tカーブのリニアリティをよくする。
  　理想的には、ＩとＮは比例、ＴとＮは逆の比例関係になるが、実際は、Nの上限で特性が曲がったり下限でリプルを生じる。従って、多スロット型、スロットレス型のモーターを選ぶ必要がある。
  　※（トルク）リプル......　出力トルクの変動分を、平均トルクに対する百分率で示すもの。この値が大きいと軸振動や騒音がひどくなる。
  スロット......　スロットとは、回転子鉄心の"溝 "である。これがあると、軸の固有振動数が変わるので、それによってモーターの振動との共振を避け、騒音を抑えられる。スロットレスモーターはスロットを持たないものをいうが、別名で平滑鉄心モーターともいう。 　

  table.1 DCモーターの特性を表す記号

  記号	名称	単位	記号	名称	単位
  Tt	全発生トルク	N・m	Ea	電機子端子電圧	V
  Ta	有効出力トルク	N・m	N	回転数	rps(rpm)
  To	損失トルク	N・m	Ra	電機子抵抗	Ω
  Nt	無損失時の無負荷回転数	rps(rpm)	Ec	逆起電圧	V
  Na	無負荷回転数	rps(rpm)	η	効率	%
  It	起動電流	A	ηm	最高効率	%
  Io	無負荷電流	A	W	出力	W
  Km	トルク定数	N・m/A	Wm	最高出力	W
  ω	回転角速度	rad/sec	Ke	逆起電力定数	V/rpm

駆動系のモーター仕様

　MIRSのモータはmaxon社製のエンコーダ、ギヤ一体型のモータを使用する。 ロータリエンコーダについては、ロータリエンコーダ技術資料参照。



table.2 モータデータ1

定格出力	20[W]	最大連続トルク	24.45[mNm]
公称電圧	18.00[V]	公称電圧時最大出力	55200[mW]
無負荷回転数	10200[rpm]	最大効率	83.2[%]
停動トルク	219[mNm]	トルク定数	16.3[mNm/A]
回転数／トルク勾配	48.1[rpm/mNm]	回転数定数	585[rpm/V]
無負荷電流	53.9[mA]	機会的時定数	4.63[ms]
起動電流	13400[mA]	ロータ慣性モーメント	9.19[gcm2]
端子間抵抗	1.34[Ω]	端子間インダクタンス	0.12[mH]
最大許容回転数	11000[rpm]	熱抵抗(ハウジング／周囲間）	14.00[K/W]
最大連続電流	1500[mA]	熱抵抗(ロータ／ハウジング間）	3.10[K/W]

アームのモーター仕様

　MIRSのアーム部に使用するモータはマブチのRE-260を使用するつもり。 別のギアボックスと組み合わせて使用する。



table.3 モータデータ2

限界電圧	1.5〜3.0[V]	適正電圧	3.0[V]
適正負荷	0.98[mNm]	回転数	8,900[rpm]
消費電力	700[mA]	シャフト径	2.0[mm]
重量	30[g]	外観寸法	26.9×23.8[mm]

ラックとギアの仕様

　MIRSのアーム部に使用するモータと組み合わせて使用する。

　

table.4 ラックのデータ

モジュール	0.5
サイズ
A	303[mm]
B	3[mm]
C	9[mm]
D	8.5[mm]

table.5 ギアのデータ

モジュール	0.5
S3	サイズ	S1	サイズ	S9	サイズ
穴径	2[mm]		3[mm]		3[mm]
ボス径	7.4[mm]		8.5[mm]		9[mm]
基準円直径	6[mm]		12.5[mm]		20[mm]/TD>
歯先円直径	7[mm]		13.5[mm]		21[mm]
歯幅	4[mm]		3[mm]		3[mm]
ボス長さ	3[mm]		4[mm]		4[mm]
全長	7[mm]		7[mm]		7[mm]