産業用ドライブ

概要

ドキュメント

ツール & ソフトウェア

ソリューション

産業用ドライブは、次世代のファクトリ･オートメーションに欠かせない要素として、生産現場のあらゆる場所で様々なアプリケーションに使用されています。シャフトの回転やポンプ、ファンの駆動など、ニーズに応じてさまざまなモータが利用されています。ドライブ内の電気モータには、ブラシ付き / ブラシレスDCモータや可変速ドライブ、単層 / 3相ACモータなどが幅広く使用されています。産業用ドライブでは、適切なモータ、ドライブやインバータ、およびスイッチを用いて正確な速度 / トルク / 位置制御を行います。また、通信リンクによりインダストリアルIoT（IIoT）に対応します。

STの製品およびソリューション

STは、8bitマイクロコントローラSTM8、32bitマイコンSTM32、パワー･ディスクリート製品（IGBTやパワーMOSFETなど）、および数Wから数十kWの電源に対応したスケーラブルかつ高効率なパワー段の構築に貢献する、集積型パワー·モジュール（IPM）を提供しています。また、幅広い高性能オペアンプ、コンパレータ、スイッチング･レギュレータやリニア･レギュレータ、予知保全を実現するMEMS慣性センサおよび環境センサ、および様々なソフトウェア / ハードウェア評価ツールの提供により、開発･設計期間の短縮をサポートしています。

産業用モータ制御およびドライブ
- 産業用ドライブ･アプリケーションでは、モータの負荷や速度、加減速、およびデューティ･サイクルを考慮する必要があり、これらは、馬力やトルクの要件を決定する基準となります。また、馬力の可変性を決定する際には、モータ速度とロータ位置の制御を考慮する必要があります。
  可変馬力 / 一定トルク
  一定のトルクによって駆動する可変馬力のアプリケーション例としては、ギア･ポンプやクレーン、およびベルト･コンベヤ用のドライブなどがあります。これらのアプリケーションでは多くの場合、負荷が一定であるため、ACまたはDCの定速電気モータが使用されます。
  一定馬力 / 可変トルク
  可変トルクによって一定馬力のアプリケーションを駆動する際は、多くの場合にDCモータやサーボ･モータ、閉ループ制御を備えたACモータが使用されます。ロール･ツー･ロール装置での巻き戻しや巻き直しなどのアプリケーションに利用できます。
  可変馬力 / 可変トルク
  遠心ポンプやファン、ミキサ、およびかくはん機などは、可変トルクによって駆動される可変馬力のアプリケーションです。このようなアプリケーションでは、速度に比例して負荷が増すため、可変周波数ドライブ（VFD）が適切なソリューションとなります。 リニア･モーション･ドライブやアクチュエータにおいては、多くの場合に、ロータとステータの正確な位置制御が求められます。一方で、プレス装置やテンション･コントロール･システムでは、正確なトルク制御が必要となる場合があり、その場合、高性能を実現するために、フィードバック制御システムを備えた産業用のサーボ･ドライブやステッピング･モータが多く使用されます。
産業用ドライブのアプリケーション例
- 生産現場において、産業用モータ制御はさまざまなアプリケーションで使用されています。産業プロセスの自動化や、クラウドへのドライブの接続は、Industry 4.0とも呼ばれる次世代のファクトリ･オートメーションにおいてきわめて重要です。ファンやポンプ、サーボ･ドライブやリニア・モータなど、様々なアプリケーションに活用されています。
  
  電気モータ駆動の産業用ポンプ
- ACドライブ
  ACドライブには、速度とトルクを制御するための周波数コントローラを備えた、単相誘導モータや3相ブラシレスDCモータが一般的に使用されます。可変周波数ドライブ（VFD）やフィールド指向制御（FOC）といった制御手法や、複数の信号を用いてドライブをより正確に制御する多相モータが使用されることもあります。
- ファン
  ファンは、工場のさまざまなアプリケーションにおいて、換気や冷却、排煙などに幅広く利用されています。ファンの種類（軸流 / 遠心 / 横流）、およびブレードのサイズや形状を慎重に選ぶ必要があり、そのためには適切なモータを選ぶ必要があります。ブレードのサイズや必要な回転速度に応じて、ブラシ付き / ブラシレスDCモータや、単相 / 3相のAC誘導モータなどが使用できます。
- フォークリフト
  電動フォークリフトでは、車輪や重い積荷を持ち上げるための油圧ポンプの駆動など、様々な部分に産業用ドライブが使用されます。パワートレインと油圧アクチュエータは一般的に、高出力の低電圧インバータによって制御される、永久磁石DCモータ（PMDC）で作動します。
- ポンプ
  ポンプは、工場など多くの産業用環境で使用されており、用途に応じて構成部品やサイズ、形状を慎重に選択する必要があります。また、適切なタイプのモータ（汎用 / ブラシ付き / ブラシレスDCモータ / 単相または3相誘導モータ）や対応するモータ･ドライブの選択も、システムに必要な総合性能を実現するうえできわめて重要です。
- サーボ･ドライブ
  産業用サーボ･ドライブは、モータの加速度や回転速度、および位置調整において、きわめて高い精度が求められる場合に使用されます。高速での位置制御が求められるロボティクスや、レンズのオートフォーカス、アンテナの位置調整といった高い精度が必要とされるアプリケーションにおいて、多く使用されています。これらのアプリケーションでは、3相誘導モータ･ドライブやブラシレスDCモータにおける高度なフィードバック制御ループも利用されます。

関連アプリケーション

ACドライブ

サーボ･ドライブ

ファン

フォークリフト

ポンプ

Motor control in industrial applications

Industrial drive applications need to take into account the load on the motor, speed, acceleration, deceleration and duty cycle of the motor. These criteria are used to determine the horsepower and torque requirements. The control of the motor speed and position of the rotor also need to be considered when deciding whether to use constant or variable horsepower.

Variable horsepower / Constant torque

For example, variable horsepower applications with constant torque include gear pumps, cranes and drives for conveyor belts. These often use a constant-speed AC or DC electric motor as the load is constant.

Constant horsepower / Variable torque

A constant horsepower drive with variable torque often uses a DC or servo motor, or an AC motor with a closed-loop control. These can be used for applications such as unwinding and rewinding in roll-to-roll machines.

Variable horsepower / Variable torque

The third approach of variable horsepower and variable torque is often used in centrifugal pumps, fans, mixers and agitators. This is because in these industrial applications the load increases as the speed increases. Naturally a variable frequency drive (VFD) is a suitable solution for such a design. Linear motion drives and actuators often need accurate control of the position of the rotor and stator, while presses and tension control systems can need accurate torque control. These often use an industrial servo drive or stepper motor with a feedback control system to provide high performance.

Industrial drive application examples

There are many different applications for industrial motor control right across the factory floor. Automating industrial processes and connecting the drives up to the cloud are a key part of the move to the next generation of factory automation, often called Industry 4.0. These applications can vary from fans to pumps and from servo drives to linear motors.

AC Drives

An AC drive often uses a single-phase induction motor or three-phase brushless motor with a frequency controller to handle the speed and torque. Control methods such as variable-frequency drive (VFD) or field-oriented control (FOC) can be used, and there are also poly-phase motors that use multiple-phase signals for more accurate control of the drive.

Fans

Fans are of course widely used for ventilation, cooling and fume extraction across a wide range of applications on the factory floor. The mechanical configuration such as the axial, centrifugal and tangential air flow and the size and shape of the blades must be carefully considered, and this leads to the selection of a particular motor. This can be a brushed or brushless DC motor or a single- or three-phase AC induction motor depending on the size of the blades and the speed at which they need to rotate.

Forklift

Electric forklifts use industrial drives in several areas, from driving the wheels to driving the hydraulic pumps that lift the heavy cargo. The powertrain and the hydraulic actuators typically use a permanent-magnet DC motor (PMDC) controlled by high-power low-voltage inverters.

Pumps

Pumps can be found in many industrial environments and depending on the application, the mechanical configuration, size and shape must be carefully selected. Equally, the motor type – whether universal, brushed or brushless DC motor or a single- or three-phase induction motor – and the associated motor drive need to be selected to achieve the overall performance required by the system.

Servo Drives

Industrial servo drives are used to provide the maximum accuracy for a motor's acceleration, speed and position. They are often used in robotics applications where accurate placement is needed at high speed, or where accuracy is needed such as lens autofocus control or antenna positioning. These also make use of sophisticated feedback control loops around a three-phase induction motor drive or BLDC motor.

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ST offers an extensive range of 8-bit STM8 and 32-bit STM32 microcontrollers, a wide range of power discrete including IGBTs and power MOSFETs, as well as integrated power modules (IPM) to help build scalable, high-efficiency power stages with power ranging from a few watts up to tens of kilowatts.

Additionally, ST provides an extensive portfolio of high-performance operational amplifiers and comparators, switching and linear regulators and MEMS inertial and environmental sensors – to enable predictive maintenance – and a comprehensive range of software and hardware evaluation tools to help reduce time and cost of development and design.