小型走行ロボット向けモーター特性評価 (2016)
Motor Characterization for Small Running Robots (2016) (robot-daycare.com)
要約
この記事は、小型走行ロボットに適した安価なブラシレスモーターの調査を目的としています。著者は、複数のモーターの機械的な分解と性能測定を通じて特性評価を行い、既存のモーターコントローラーの限界に対処し、動的なロボットの移動に適したアクチュエーターを見つけることを目指しています。
全文翻訳
小型走行ロボット用モーター特性評価
お付き合いください、これは長くなるでしょう。
要約:
安価なブラシレスモーターを多数特性評価し、小型走行ロボットへの有用性を調査します。各モーターは機械的な分解と簡単な特性評価を行います。結論は一番下までスクロールしてください。
背景
過去に小型走行ロボットで作業したことがあります。Biomimetic Robotics Lab で、そのロボットは非常に低コストで作られるように設計されており、安価な既製品のDCギアモーターで作られていましたが、ロボットが実行可能な走行の種類において、これは非常に制約の多い要因であることが判明しました。
そこで基本的な考え方はこうです。ホビー用RC機器市場は、安価で軽量、非常に強力なモーターを豊富に生み出してきました。この種のモーターは、私の所有する小型 電動 車両 のフリートや、私よりもずっと前から他の多くの人々の車両、マルチコプター、飛行機などで使用されてきました。しかし、ロボットの精密またはトルク制御アクチュエーターとしては使用されてきませんでした。
その理由にはいくつかあると思います。第一に、適切なモーターコントローラーが実際には存在しません。Maxonのような企業製の非常に高価な小型ブラシレスコントローラーや、AMCのような企業製のやや安価（ただし大きい）な産業用サーボドライブがあります。これらは、ホビー用モーターに独自のセンサーアレイを追加することで機能させることができます。しかし、これらのモーターは、トルク定数が低く、抵抗値やインダクタンスも低く巻かれている傾向があるため、多くのアンペアと比較的少ないボルトを必要とし、これは高価なサーボドライブとはうまく連携しません。もう一方の極端な例としては、ホビーグレードのコントローラーがありますが、これらは通常、電流またはトルク制御の形式を欠いているため、RC車両以外のものにはほとんど役に立ちません。
動的な走行ロボットでこれらのモーターを使用することに興味があるので、これらのモーター制御オプションはさらに役に立たなくなります。高価な産業用ドライブは1日中10アンペアを出力するかもしれませんが、それ以上のアンペアは決して出力しません。一方、走行にはそうではありません。むしろ、短時間のバーストで連続電流の何倍も必要とし、それ以外の時間ははるかに少ない電流で済むようにしたいのです。そのため、より動的な電流制限が必要です。
MITでのニックの最後の学期、Derpbike（別名 Bremsthesis）での作業のおかげで、これを卒業プロジェクトにしています。私はコース2A（柔軟なMechEオプション）を選択しているので、卒業のために必須ではありませんが、来学期いっぱいMITERSで自分のプロジェクトに単位のために費やす絶好の口実です。学期末の最終目標は、必要なモーター制御関連の作業をすべて完了させ、ホビー用RCモーターを使用した2自由度のプロトタイプ脚を構築することです。
モーター特性評価
私は
このプロジェクトを開始するために、この種のロボットに適していると思われる小型ブラシレスモーターを大量に入手し、どれが最良かを見つけるために特性評価を行いました。これらは、幾何学的形状によって、利用可能なモーターの広範な配列から視覚的に絞り込みました。一般的に、パンケーキ型（直径が大きく、奥行きが小さい）が、トルク密度が高い1 には最適です。
これは、モーターの次元解析で確認できます。ローターとステーターを厚さが一定の2つのリングと仮定し、半径と奥行きを変化させることができるとします（これはそれほど不合理ではありませんが、すべてを網羅しているわけではありません）。モーターのトルクは、ギャップ表面積とギャップ半径の両方に比例します。したがって、一定のギャップ表面積（この場合は一定の質量を意味する）に対して、直径を増やすことは、質量あたりのトルクを増やすことを意味します。
明らかに、これには多くの実際的な理由があり、これが完全に真実ではない可能性があります（モーター支持材料の質量は異なるスケールで変化する可能性があり、モーターが薄いほど巻線の端部巻き線が占める割合が大きくなるなど）。しかし、これは良い出発点です。
ここに、私が最終的に手に入れたモーターの山があります。左から右へ、Turnigy HD 5208 Gimbal Motor、Turnigy Multistar Elite 5010、Gartt ML 5208、Turnigy Multistar 4830、Turnigy Multistar 4822、そしてFlycat i-Rotor 5010です。
方法論
このモーター特性評価の目標は、各モーターの電磁性能を一次的に理解し、構造の品質と、これらのモーターを脚ロボットアプリケーションに適合させる容易さを評価することです。すべての特性評価は、ベンチトップ電源、一対のマルチメーター、コードレスドリル、およびオシロスコープを使用して行われました。
測定した2つのパラメータは、線間抵抗と一定速度での線間逆起電力波形（そのためコードレスドリルを使用）でした。これらの数値から、トルク定数（Kt）と「モーター定数」（Km）を、Kt/sqrt(R) を見つけることによって計算できます。この数値は、モーターが特定の巻線電力損失に対してどれだけのトルクを生成できるかを示します（単位も N*m/sqrt(ワット) になります）。この数値は、モーターの巻き方がどうであれ（一定のパターンと銅の量が同じであると仮定）、独立していることに注意することが重要です。言い換えれば、モーターを2倍のターン数を持つように巻き直すと、トルク定数が2倍になり、抵抗が4倍になりますが、モーター定数は変化しません。モーターのトルク生成能力（抵抗損失のみを見ると）は、銅面積が一定であれば、トルク定数がどれだけ高くまたは低く巻かれていても依存しません。これはよくある混乱のポイントだと思います。
したがって、モーター定数は非常に限定的なモーター性能指標ですが、モーターの性能を大まかに把握したいだけであれば、有用な数値です。
さらに、モーターの材料がトルク生成にどれだけうまく使用されているかの良い指標は、おそらく Km/sqrt(質量) でしょう。同じモーターを2つエンドツーエンドにすると、質量が2倍になり、モーター定数がsqrt(2)の係数で増加するため、この数値は一定のままになります。
Turnigy HD 5208 Gimbal Motor
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価格: $39.20
ローターは、1つのeクリップによって軸方向に固定されています。シャフトとベアリングは非常に細い直径で、両端に余分なシャフトは突き出ていません。
ステーターには、より多くの銅を入れるための十分なスペースがあります。巻線は、非常に細い単一のストランド線です。
厚い積層板。このモーターが高速回転するように設計されていないことを示す別の兆候です。
厚いマグネット。ローターのバランス調整は目視では行われていません。
スコープ上の逆起電力: これは名目上31 RPM/ボルトのモーターです。
トルク定数: 0.3081 Nm/A
抵抗値: 11.7 Ω
モーター定数: 0.0901 Nm/sqrt(ワット)
Turnigy Multistar Elite 5010
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価格: $52.69 $42.15 (1/29現在)
これは美しいモーターです。その分価格は高いですが、Hobbykingはここで本当に期待を超えました。同サイズの他のモーターより15ドル多く払うと、非常に美しい単一ストランドの完璧な巻線、湾曲したN45SHマグネット、そして全体的に非常に良い感触のモーターが得られます。
全体的にしっかりした構造。大きなシャフトとベアリング。ローターはロックタイトで固定されたネジによって軸方向に固定されています。
残念ながら、ステーターには銅を入れるためのスペースがかなりあります。しかし、マルチローター用途では、これは良いことだと思います。厚くきれいな巻線とステーターのスロット間の空気の流れを考慮すると、これらのモーターはプロペラによって強制される空気で非常に効率的に冷却されると推測します。また、ステーター歯のテーパー状の端にも注目してください。テストした他のモーターはすべて、ステーター歯の端が直角になっています。FEAを見ないと、これが何をするかは断言できません。
予想通り、薄い積層板です。
湾曲したマグネットのクローズアップ。小さな青いバランシング剤のダブもあります。
ドリルメーターによる逆起電力。これは名目上274 RPM/ボルトのモーターです。かなり正弦波に近い波形です。
トルク定数: 0.0333 Nm/A
抵抗値: 128 mΩ
モーター定数: 0.0930 Nm/sqrt(ワット)
Gartt ML 5208
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価格: $38-$45
このモーターには高い期待を寄せていました。eBayで38ドルに値引き交渉に成功し、Hobbykingの同サイズのほとんどのモーターよりも安価になりました。上記の2つのモーターとは異なり、14極ではなく22極です。極対数が多いことの良い点は、極間の磁束が少なくなることです（各極の面積が小さいため）。これにより、ローターの漏れが少なくなる（つまり、ローターから漏れる磁束が少なくなる）ことを期待していました。実際、その通りであることが判明しました。モーターの缶に金属物体がわずかにしかくっつかないことがわかります。
ここでもしっかりした構造。大きなベアリング、大きなシャフト、ローターを固定するためのスナップリングとネジ。
巻線は「Hobbykinged」されており、平行ストランドの束になっています。きれいに処理されていますが。ベアリングと巻線の間のステーターの切り欠きが興味深いです。
薄い積層板です。
より多くのバランシング剤と、マグネットのより良い画像。
逆起電力。これは名目上340 RPM/ボルトのモーターです。このモーターでは、より顕著な高調波が見られます。
トルク定数: 0.02498 Nm/A
抵抗値: 97.5 mΩ
モーター定数: 0.0800 Nm/sqrt(ワット)
Turnigy Multistar 4830
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価格: $43.29
このモーターは、他のモーターとは異なるアスペクト比を持っています。軸方向に長く、直径が小さいです。上記のモーターと同様に、22極モーターです。非常に迷惑なことに、内側にフォームカットアウトが付いた派手な金属箱に入ってきました。安価な段ボール包装と数ドル安いモーターの方が良かったでしょう。
ここでもよくできています。シャフトの端に多くのワッシャーがある理由はわかりませんが、以前と同様に、缶を保持するのはネジとスナップリングです。
マグネットの充填率は良好で、ローターにはわずかなバランシングが行われています。
うわー、逆起電力に大きな5次高調波があります。これは名目上420 RPM/ボルトのモーターです。
トルク定数: 0.0212 Nm/A
抵抗値: 102.8mΩ
モーター定数: 0.0662 Nm/sqrt(ワット)
Turnigy Multistar 4822
リンク
価格: $32.91
このモーターは30mmモーターの短縮版になると予想していましたが、ステーターの長さ以外にも驚くほど多くの変更点があります。
ローターの保持機構が異なります。このモーターはスナップリングのみですが、30mmのモーターはシャフトにネジ止めされたキャップとスナップリングがありました。
ベアリングとシャフトも小さくなっています。
いつものように、ローターにはバランシング剤が付いています。
逆起電力波形は30mmバージョンのモーターとほとんど同じになると予想していましたが、驚いたことに5次高調波は全く見られず、非常に正弦波的でした。何が原因でこのような違いが生じるのかは不明です。モーター間で巻線パターンが異なるとは考えられません。これは名目上390 RPM/ボルトのモーターです。
トルク定数: 0.0223 Nm/A
抵抗値: 205 mΩ
モーター定数: 0.0493 Nm/sqrt(ワット)
Flycat i-Rotor 5010
リンク
価格: $14.49
14ドルの価格設定で、このモーターは異質です。「5010 Brushless Motor」でeBayを検索し、説明を十分に読まなかったため、このモーターを入手しました。通常、「5010」はモーターのステーターが直径50mm、高さ10mmであることを意味します。このモーターでは、これらは外寸です。実際のステーターははるかに小さいです。驚くことではありませんが、モーターは他よりも小さく、価格を考えると予想通りのひどい製造品質です。
露出した底面。軽量化に貢献していますよね？
ローターは保持リングと真鍮ワッシャーによって軸方向に保持されています。保持リングをMITERSのどこかに飛ばしてしまい、二度と見つかりませんでした。その損失を特に惜しむことはできません。細い直径のベアリングとシャフト。
乱雑な単一ストランドの巻線。ほぼ予想通りです。
目に見えるバランシングはされていませんが、RC飛行機用コントローラーで回したときは、モーターはまあまで良い音でした。
逆起電力。これは名目上360 RPM/ボルトのモーターです。
トルク定数: .0249 Nm/A
抵抗値: 286 mΩ
モーター定数: .0497 Nm/sqrt(ワット)
結論
ここに良い表があります。
| トルク定数 (N*m/A) | 抵抗値 (mΩ) | モーター定数 (N*m/sqrt(ワット)) | 重量 (リード線除く, g) | 価格 ($) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Turnigy HD 5208 | 0.3081 | 11700 | 0.0901 | 167 | 39.20 |
| Turnigy Multistar Elite 5010 | 0.0333 | 128.0 | 0.0930 | 183 | 52.69 |
| Gartt Ml 5208 | 0.02498 | 97.5 | 0.0800 | 173 | 38.00 |
| Turnigy Multistar 4830 | 0.0212 | 102.8 | 0.0662 | 162 | 43.29 |
| Turnigy Multistar 4822 | 0.0223 | 205 | 0.0493 | 100 | 32.91 |
| Flycat i-Rotor 5010 | 0.0249 | 286 | 0.0497 | 90 | 14.49 |
ここでの本当の競争は、上位3つのモーター、つまりTurnigy gimbalモーター、Multistar Elite、そしてGarttの間です。下位2つは私が関心のあるサイズ範囲より少し小さいですが、Multistar 4830は同等のコストと重量の他のモーターよりも明らかに劣っています。
驚いたことに、数値だけを見ると、Turnigy Gimbalモーターはかなり良い成績を収めています。モーター定数では堅実な2位、競合2社よりも軽量で、Garttと同価格帯です。しかし、ロボットでの使用の実現可能性から見ると、それほど良く見えません。他の2つのモーターの、例えば20Vシステムと同等の性能をGimbalモーターから得るには、200Vのバスが必要になります！あまり魅力的ではありません。また、機械的な構造も他のモーターよりも一般的に劣っています。したがって、結論は…不明確です。Multistar Eliteはあまりにも素晴らしいです…Garttよりも40%高いコストは、ロボット構築の総コストを考えると許容範囲内です。18%大きいモーター定数、より正弦波に近い逆起電力、熱性能はより良いと推測されます（分析や実験は行っていませんが）、そして単に感触が良いです。
編集
2016年1月29日現在、Multistar Eliteモーターは42.15ドルに値下げされており、このモーター対決では明確な勝者となっています。
次のステップ: すでにモーターコントローラーハードウェアを設計・レイアウトしました（今のところNucleoシールドとして。制御がうまくいったら、マイクロをオンボードにする予定です）。まもなくDigikeyから基板と部品を注文する予定です。その後、モーター制御の作業に入ることができます。まだ位置センシング方法を決定する必要があります。
これらのモーターを脚に統合するための機械設計作業もたくさん行う必要があります。フルサイズのチーターロボットのように、単段の遊星減速機を使用したいと考えているので、これも解決する必要があります。
続報にご期待ください。これは良いものになるでしょう。