モーションコントローラーとは？モーションコントロールの基本を理解する

テストや計測のアプリケーションを解決するとなると、多くのエンジニアはすでに電気工学やコンピュータ工学のバックグラウンドを持っているかもしれません。しかし、モーションコントロールは、機械工学や制御工学に関わることが多い分野であり、それとはかなり異なる分野です。

試験計測アプリケーションにおけるモーションコントロールの理解を深めるために、まずモーションコントローラーの機能とモーションコントロールシステムにおけるその役割について調べてみましょう。

モーションコントロールの目的

モーションコントロールの目的は、システム全体のキネマティクス（運動学）を制御しながら、ある場所から別の場所に負荷を移動させることです。 キネマティクスとは、システムの位置、速度、加速度を制御して、望ましい結果を得ることです。

モーションは単なるオン/オフ制御ではありません

キネマティクスの概念を説明するために、簡単な例えを用いて説明しましょう。
異なる車に乗った2人のドライバーを想像してください。
最初のドライバーは初心者で、アクセルを上手にコントロールする方法を知りません。
アクセルを完全に踏み込むか、完全に離すかしかできません。
もう一人のドライバーは経験豊富で、アクセルペダルで車のスピードを徐々に上げる方法を知っています。

初心者ドライバーのクルマとベテランドライバーのクルマの速度プロファイルを比較。 どちらのドライバーの乗り心地が良いでしょうか？

どちらのドライバーも最終的には目的地に到着することができますが、1人目のドライバーと一緒に乗ると、非常にギクシャクして不快になります。 一方、2番目のドライバーは、車の速度をうまくコントロールできるため、乗り心地はずっとスムーズです。

このように、モーションコントロールを使ったテストや計測の場面では、速度や加速度をコントロールすることが非常に重要です。以下に、その例をいくつか挙げます：

• 特定のカメラを使用する場合、ぎくしゃくした動きは写真のブレにつながることがあります。そのため、動きの速度と加速度をコントロールすることが重要です。
• 化学標本によっては、ギクシャクした動きで台無しになるものもあるので、動きの速度や加速度をコントロールすることが必要です。
• 風洞で翼の標本を回転させるとき、実際の航空機の動きをシミュレートするためには、動きの速度と加速度をコントロールすることが重要です。
• などなど...

つまり、「動くかどうか」だけでなく、「どう動くか」にもこだわるのであれば、動きの速度と加速度をコントロールすることが不可欠なのです。

モーションコントロールシステムの構成要素

モーションコントロールの重要性がわかったところで、モーションコントロールシステムの代表的な構成要素について見ていきましょう。

1. PCとアプリケーションソフト
   PCとアプリケーションソフトウェア（LabVIEW）は、モーションコントローラに高レベルのコマンドを送信します。アプリケーション開発時に、プログラマーは高レベルのファンクションコールを使用して、モーションの動きを定義することができます。
2. モーションコントローラー
   モーションコントローラーは、モーションコントロールシステムの中核となるものです。PCから高レベルのコマンドを受け取り、低レベルの信号コマンドに変換してモータードライブやアンプに送信します。 モーションムーブの指定されたパラメーターに従ってモーションパスを計画する軌跡ジェネレーターがオンボードで搭載されています。 また、モーションコントローラーは、モーターからのフィードバック信号を監視し、ステータス情報をPCに送り返します。
3. モータードライブ/アンプ
   モータードライブ/アンプは、モーターを回転させるための電力を供給する役割を担っています。 モータードライブの仕様は、供給できる電力量を表すために、アンペアまたはワットで表示されます。
4. モーター
   モーターは、モーター駆動による電気エネルギーを機械エネルギーに変換する物理的な装置です。
5. モーターステージまたはアセンブリ
   モーターステージ（アセンブリ）は、負荷を物理的に移動させる役割を担う機械部品です。通常、ギア、カップリング、プーリーで構成され、並進と回転の動きを提供します。

モーションコントローラーの役割

モーションコントロールシステムの構成要素を説明したところで、モーションコントローラに焦点を当てます。モーションコントローラーは、次のような仕事を担当します：

1. 移動の計画を立てる： ムーブを実行する前に、希望する速度と加速度のパラメータから数学的な軌道を導き出す必要があります。 これは、オンボードの軌道ジェネレーターによって行われます。
   

   軌跡生成装置は、移動の特定の時間ごとに位置を計算する。 時間分解能は通常、マイクロ秒のオーダーである。

2. 移動の実行：モーションコントローラは、低レベルの信号コマンドをモータドライブに送信します。 これらのコマンドは、パルスコマンドのようなI/O信号の形式であったり、ModbusやEtherCATのような通信の形式であったりします。
3. ドライブとI/Oからのフィードバックを監視する： 移動の実行中、モーションコントローラはモータードライブからの故障信号がないかどうかをチェックします。さらに、リミットスイッチや緊急スイッチが作動した場合、モーションコントローラーは衝突や損傷を防ぐために、現在の動作を中断させることができます。

専用モーションコントローラーのメリット

データ収集装置などの一般的なI/Oをモーションコントロールに使用することも可能ですが、専用のモーションコントローラを使用するメリットを念頭に置いておくことが重要です。 そのメリットは以下の通りです：

• 正確なタイミング：ハードウェアベースのコントローラーは、正確なタイミングを提供するオンボードクロックを搭載しており、正確で精密な動作軌跡を実現するために不可欠なものです。一方、一般的なI/Oを持つソフトウェアベースのコントローラは、コンピュータのオペレーティングシステムのタイミングに依存しており、不正確でジッタの影響を受けやすい。
• リアルタイム処理： ハードウェアベースのコントローラーは、モーションコマンドをリアルタイムで処理することができます。これは、精密なモーションコントロールを必要とするアプリケーションにとって重要です。ソフトウェアベースのコントローラーでは、コマンドの処理に時間がかかるため、遅延が発生する可能性があります。
• 専用コンピューティングリソース： ハードウェアベースのコントローラーは、モーションコントロールに特化した専用の演算リソースを備えています。そのため、同じコンピュータ上で動作する他のアプリケーションと演算資源を奪い合う必要がありません。
• 高度な機能： ハードウェアベースのコントローラは、ブレークポイントトリガーや高速位置キャプチャなど、ソフトウェアベースのコントローラでは利用できない高度な機能を備えていることが多い。

結論

モーションコントロールは、多くの試験・計測アプリケーションにおいて重要な要素であり、モーションコントローラーの機能を理解することは、望ましい結果を得るために不可欠です。 モーションの速度と加速度を完全に制御するハードウェアベースのモーションコントローラーは、性能と信頼性を向上させる高度な機能を備えており、テストおよび測定エンジニアにとってより良い選択肢となります。

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TENET GECO Motion LabVIEW対応モーションコントローラ

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