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発行済み 2026-04-13
サーボ負荷テストは、サーボモーターとその機械伝達システムは、外部抵抗トルクを受けた場合でも、指定された位置精度、トルク出力、および応答速度を維持できます。これは、次の作業を行う前に必要な検証手順です。サーボシステムは、ロボット アーム、CNC 送り軸、無人搬送車などの実際の機械に導入されます。適切な負荷テストを行わないと、実際の動作抵抗に遭遇したときにサーボ システムの位置偏差、失速、発振、さらにはドライバーの損傷が発生する可能性があります。このガイドでは、特定のブランドや企業を参照することなく、一般的な業界慣行とアクセス可能なツールに基づいて、サーボ負荷テストを実施するための標準化された段階的な方法論を提供します。
負荷テストの主な目的は、サーボ システムの実際の出力特性が、意図された動作条件下で理論上の仕様と一致していることを確認することです。具体的には、負荷テストは次の 3 つの基本的な質問に答えます。
トルクマージン: サーボは、最悪の場合の摩擦と慣性下で負荷を加速、減速し、保持するのに十分なトルクを提供できますか?
負荷時の位置精度：外力が作用した場合、実際の位置誤差は許容誤差（例：±0.05mm）内に収まりますか？
熱的挙動: 定格負荷で連続運転した場合、サーボモータの温度上昇は絶縁クラスの制限値 (B 種絶縁の場合は通常 ≤80°C) を下回りますか?
典型的なケース: ピックアンドプレース操作用のロボット アームは、理論計算を使用して設計されました。展開中に 2 kg のワークピースをピッキングすると、アームのリスト ジョイントがターゲットを 3 mm オーバーシュートします。負荷テストにより、デューティ サイクル 80% でのサーボの実際の連続トルクが理論値より 22% 低く、位置誤差につながることが判明しました。解決策は、サーボのサイズを大きくするか、ペイロードを減らすことでした。
有効な負荷テストを実行するには、次の機器が必要です。これらはどれも特定のブランドを必要としません。一般的な工業グレードのコンポーネントも同様に機能します。
セットアップ手順(ベンチテストに共通):
1. サーボ モーターを堅いテストベンチに取り付けます。フレキシブルカップリングを使用してモーターシャフトをトルクセンサーに接続します。
2. トルク センサーの出力を負荷発生器 (ブレーキ) シャフトに接続します。寄生負荷を避けるために、すべてのシャフトを振れ 0.1 mm 以内に揃えてください。
3. エンコーダを負荷側 (カップリングの後) に取り付けるか、直接シャフトフィードバックを提供する場合はサーボの内蔵エンコーダを使用します。最高の精度を得るには、別個の負荷側エンコーダを使用してください。
4. すべてのセンサーをデータ収集システムに接続します。加速度過渡現象をキャプチャする必要がある場合は、サンプリング レートを少なくとも 1 kHz に設定します。
5. 熱電対をモーター ハウジングの最も熱い点 (通常は巻線エンド キャップの近く) に置きます。サーマルペーストと耐熱テープで固定します。
無負荷検証、ステップ負荷テスト、連続負荷テストの 3 つの段階的なフェーズでテストを実行します。
負荷を加える前に、外部トルクがゼロの状態でサーボ システムが正しく動作することを確認してください。
定義された動作プロファイルを実行するようにサーボに命令します: 例: 50% 定格速度で 0° → 90° → 180° → 90° → 0°。
位置誤差（指令位置と実際の位置の差）を記録します。許容される無負荷誤差は、通常、アブソリュート エンコーダの場合は ±0.02°以下、インクリメンタル エンコーダの場合は ±1 エンコーダ パルスです。
一定速度で無負荷電流を測定します。この値は、負荷誘導電流を計算するためのベースラインとして機能します。
無負荷誤差が制限を超えた場合は、機械的な位置ずれ、結合の緩み、またはサーボ パラメータの設定が正しくないか (位置ループ ゲインが低すぎるなど) を確認してください。
サーボが一定の低速 (定格速度の 10% など) を維持している間に、増分トルク負荷を加えます。このテストでは、サーボが失速や過剰なエラーなしに出力できる最大トルクが明らかになります。
1. サーボを定格速度 10% の定速モードに設定します (たとえば、定格 300 RPM モーターの場合は 30 RPM)。
2. 定格トルク0%から負荷トルクを定格トルクの10%ずつ増加させます。安定するまで各ステップで 5 秒待ちます。
3. 各ステップで、実際のトルク (トルク センサーから)、実際の速度 (エンコーダーから)、位置誤差 (位置モードの場合) を記録します。
4. 次のいずれかの停止状態が発生するまで、負荷を増やし続けます。
位置誤差が 5°を超えています (位置モードの場合)
速度が指令速度の 90% を下回ります (速度モードの場合)
モーター電流が定格電流の 150% に達する
サーボドライバーが過負荷または次のエラーアラームをトリガーします
解釈： 停止条件が発生したときのトルクが実用最大連続トルクとなります。信頼性の高い動作を実現するには、実際の動作トルクがこの値の 80% を超えないようにしてください。
一般的なケース: CNC 送り軸サーボの連続トルクは 4 Nm でした。ステップ荷重テストでは、3.2 Nm (定格の 80%) で、位置誤差がすでに 0.12 mm (公差 0.05 mm を超えています) であることがわかりました。実際に使えるトルクはわずか2.8Nmでした。原因は位置ループゲイン不足でした。ゲインを 15 から 28 (1/s) に調整した後、3.2 Nm での誤差は 0.04 mm に減少しました。
意図した最大動作トルク (フェーズ 2 で見つかった値の 80% など) に等しい一定のトルクを適用し、サーボを実際の動作デューティ サイクルを通じて少なくとも 60 分間、または熱平衡になるまで動作させます。
手順:
負荷ブレーキを目標トルク値に設定します。
実世界の動作プロファイル (加速、一定速度、減速、滞留) を繰り返すようにサーボに命令します。
モーターハウジングの温度を 2 分ごとに記録します。
また、電流とトルクを 30 秒ごとに記録します。
合格基準(絶縁クラスに基づく):
クラス B (130°C): ハウジング温度 ≤ 80°C、巻線温度 ≤ 120°C (小型モーターの場合、巻線はハウジング + 15°C として見積もることができます)
クラス F (155°C): ハウジング ≤ 95 °C、巻線 ≤ 140 °C
クラス H (180°C): ハウジング ≤ 110 °C、巻線 ≤ 165 °C
温度が制限を超えた場合は、負荷を減らすか、冷却を改善します (強制空気を追加するか、ヒートシンク面積を増やします)。
実際の例: 包装機のコンベアで使用されるサーボは 2.5 Nm (定格 2.8 Nm) でテストされました。 35 分間の連続した往復運動 (0.5 Hz、振幅 90°) の後、ハウジングは 92°C に達し、クラス B の制限値である 80°C を超えました。解決策は、モーターのフィンに直接送風する 120 mm ファンを追加することで、定常状態の温度を 74°C に下げました。
3 つのフェーズすべてで、次のデータ ポイントを記録します。このデータは、問題の診断とサーボ システムの認証に不可欠です。
機械出力の計算方法:
回転運動の場合: P_out (W) = トルク (Nm) × 角速度 (rad/s)
角速度 (rad/s) = RPM × (2π / 60)
入力電力の計算方法(三相サーボの場合):
P_in (W) = √3 × V_rms × I_rms × 力率
力率が不明な場合は、負荷状態を 0.85 と仮定します。
負荷テストでは、無負荷動作時には見えなかった問題が明らかになることがよくあります。最も頻繁に発生する問題とその修正は次のとおりです。
文書化された事例: 無人搬送車のステアリング サーボは、無負荷テストには合格しましたが、連続負荷テストには不合格でした。 150kgの積載量で12分間運転した後、運転手は過電流警報を作動させた。負荷テストの結果、カーペット床をオンにするのに必要なトルクは 3.1 Nm であることが判明しましたが、80°C でのサーボの実際のトルクはわずか 2.4 Nm でした (高温での磁石の劣化のため)。この修正により、サーボのサイズが 100 W から 200 W に増加し、4.0 Nm の定格トルクが得られました。
負荷テストの結果に基づいて、実際のマシンの 3 つの動作制限を定義する必要があります。
最大連続トルク (MCT): サーボが熱制限を超えることなく 60 分間維持できる最大トルク。これを、熱平衡状態で測定されたトルクの 90% として設定します。
最大断続トルク (MIT): 短時間 (≤5 秒) に許容されるトルク。これは通常 MCT の 150 ～ 200% ですが、ドライバの電流制限がトリップしないことを確認してください。ステップ荷重テストからの MIT は、ストールまたはアラームの直前のトルクです。
全負荷時の最大速度: サーボがトルクをディレーティングすることなく MCT を提供できる最高速度。速度が高すぎると逆起電力によりトルクが低下します。一般的な制限は無負荷速度の 70 ～ 80% です。
重要: サーボを MCT 以上で連続的に動作させないでください。短時間の過負荷（10 秒以上）でも巻線の絶縁劣化を引き起こし、早期故障につながる可能性があります。サーボドライバには常に MCT の 100% に設定されたトルク制限パラメータを含めてください。
三相負荷テストを完了してデータを分析した後、信頼性の高い長期的な動作を保証するために次の特定のアクションを実行します。
1. 負荷テスト証明書を作成する: 試験日、周囲温度、測定された MCT、MIT、温度上昇、および動作負荷での位置誤差を文書化します。この証明書はシステム検証の証拠として機能します。
2. ドライバー保護パラメーターを設定するテスト結果に基づいて:
電流制限 = MCT の 110% (継続的な保護の場合)
過負荷時間制限 = 200% MCT で 5 秒
失速保護トルク = MIT の 120%
位置誤差制限 = 2×負荷下で測定された最大誤差
3. 定期的な再テストスケジュールを実施する: ハイサイクルアプリケーション (例: 年中無休で動作するピックアンドプレースロボット) の場合は、2000 動作時間または 12 か月ごとに再テストします。サーボトルクは、磁石の経年劣化やベアリングの摩耗により時間の経過とともに低下します。一般的な劣化率は 10,000 時間で 5 ～ 10% です。
4. 温度監視を追加する実機では。負荷試験で MCT で 50°C の上昇が見られた場合は、モーター巻線にサーミスター (PTC タイプ) を取り付け、最高許容温度の 90% (例: クラス B の場合は 90°C) で警告を設定します。これにより、周囲温度がテスト条件よりも高い場合のサイレント過熱を防ぎます。
5. モーションプロファイルを調整するテスト結果が限界トルクマージンを示した場合。たとえば、動作トルクが MCT の 85% である場合、加速段階中のピーク トルクを下げるために加速を 15% 減らします。
重要なポイント: 負荷テストは 1 回限りのチェックボックスではありません。これは、サーボ システムが実際の動作条件下で確実に動作することを検証する唯一の方法です。無負荷テストには合格しても負荷テストに合格しないサーボは、予期しないダウンタイム、製品の損傷、または安全上の問題を引き起こす可能性があります。サーボを生産機械に組み込む前に、必ずステップ負荷テストと連続負荷テストを実行してください。次に、テスト データを使用して保護制限を設定し、メンテナンスをスケジュールし、動作プロファイルを最適化します。この実践により、業界のメンテナンス記録に基づくと、予期せぬサーボの故障が推定 70% 減少します。
エンジニアのアクションステップ: 現在使用中のサーボの負荷テストをまだ行っていない場合は、上記の手順を使用して、今後 2 週間以内にテストをスケジュールしてください。実際のトルクマージンを測定するには、10% 定格速度でのステップ負荷テストから始めます。動作トルクを上回るマージンが 20% 未満の場合は、故障が発生する前に負荷を減らすかサーボをアップグレードしてください。
更新時間：2026-04-13
