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高精度マルチアクシス協調制御のためのサブマイクロ秒級同期
EtherCAT分散クロックにより、全軸で500ナノ秒未満のジッターを実現
EtherCATにおける分散クロック（DC）技術は、複数の軸をネットワーク接続した際の厄介なタイミング問題を本当に解決します。ジッターを約500ナノ秒まで低減でき、これは従来の同期方式をはるかに凌駕しています。なぜなら、従来方式では時間とともに遅延が蓄積し、協調動作が乱れてしまうからです。従来の高精度サーボモータは各軸ごとに独立したクロックで動作しますが、EtherCATのDCは共有ハードウェア時刻基準によってすべての軸を完全に同期させます。各ノードには正確なタイムスタンプが付与されるため、すべての動作が適切に整合されます。この技術の優れた点は、伝搬遅延をリアルタイムで自動補正できることにあります。これにより、誰も手動で設定を調整する必要なく、ナノ秒レベルでの整合性が維持されます。たとえば半導体ウエハーのハンドリングでは、600ナノ秒を超えるわずかなずれでも、マイクロン単位での計測に支障をきたします。さらに注目すべきは、ケーブル長の違いや温度変化など、さまざまな環境変化に対してもシステム自体が自動的にキャリブレーションを維持することです。オペレーターが関与する必要は一切ありません。
決定論的サイクルタイム（<100 µs） vs. 従来のフィールドバス
EtherCATは、100マイクロ秒未満という非常に高速な応答時間を実現し、典型的に最低でも2ミリ秒を要するCANopenと比較して約20倍の速度を達成します。他のフィールドバスシステムの多くと比べても、EtherCATのタイミングははるかに一貫性・信頼性に優れています。従来の単軸構成から切り替える際には、この点が極めて重要です。複数の軸に対して命令を順次送信し、時間とともに微小な位置決め誤差が蓄積していく方式ではなく、EtherCATではすべての軸に対する命令を1サイクルで同時に処理します。その結果、制御ループを実質的に10キロヘルツ以上で動作させることができ、これにより高速運転中の機械における振動抑制が可能になります。ある主要なロボットメーカーでは、個別の単軸サーボモータからEtherCAT技術を基盤とするマルチアクシスシステムへ移行したところ、パス追従誤差がほぼ90％も低減しました。また、先端製造業で用いられる複雑な並列運動学プラットフォームなど、低遅延を必要とするシステムにおいては、現在、角精度をマイクロラジアンレベルまで達成できるようになっています。これは、従来の複数コンポーネントに分散した制御方式ではほとんど不可能であった精度です。
アーキテクチャの簡素化：複数の単軸高精度サーボタイプを、1つの統合ドライブに置き換え
配線量70％削減およびマスタースレーブゲートウェイの廃止
企業が複数の単軸高精度サーボモータを1つのマルチアクシスドライブシステムに統合すると、配線の複雑さが約70％削減され、煩雑なマスタースレーブゲートウェイが完全に不要になります。従来の方法では、各個別の軸ごとに電源ライン、フィードバック接続、制御配線をそれぞれ重複して設置する必要があり、これによりケーブルの乱雑な束や接続点の過剰増加など、さまざまな問題が生じていました。一方、マルチアクシスドライブは異なります。これらは共通のDC電源を共有し、キャビネット内を1本のメインEtherCAT接続ラインのみで貫通させればよく、結果として全体の配線がはるかにすっきりし、設置も容易になります。また、これらのゲートウェイボックスを排除することで、信号が複数段階を経て伝送される際に発生する煩わしい通信遅延も解消されます。昨年の産業オートメーション分野における最新の研究によると、このアプローチを採用した工場では、通常、設置作業のスピードが約40％向上し、材料費もおよそ25％削減されることが確認されています。近年、より多くの製造事業者がこの切り替えを進めている理由が、ここにあります。
各軸にわたるネイティブCIA 402準拠—CSP、CSV、CSTモードを設定負荷なしで完全サポート
多軸ドライブシステムは、CANオートメーション向けのCIA 402規格に準拠しているため、導入直後からシームレスに連携動作します。これらのシステムは、すべての軸において位置制御（CSP）、速度制御（CSV）、トルク制御（CST）を実現し、各デバイスごとに個別の設定を行う必要がありません。従来の単軸ドライブを用いた構成では、各ドライブに対して個別に調整やパラメータ設定が必要となるため、運用が非常に煩雑です。一方、本製品の新世代ドライブは統一された設計により、初日からすべての軸が協調動作します。エンジニアリングチームにとっては、個々のコンポーネントの設定に費やす時間が大幅に削減され、プロジェクトを効率的に完了させるための作業に集中できるようになります。
- 協調運動タスク向けのCSPモードにおける即時軸同期
- コンベアやウェブハンドリングシステム向けのCSVにおけるシームレスな速度遷移
- 巻取りや印刷など張力制御が重要なアプリケーション向けのCSTによる直接トルク制御
検証試験の結果、従来のサーボネットワークと比較して、設定作業が90％高速化される（『Motion Control Journal』、2024年）。これは、標準化されたオブジェクト辞書マッピングを用いることで、パラメータセットが各軸に自動的に伝播するためである。
高出力密度および高熱効率：離散型単軸高精度サーボタイプに対する工学的優位性
性能に関して言えば、マルチアクシスEtherCATサーボドライブは、非常に目覚ましい半導体技術の進歩により、従来のシングルアクシス型を明確に凌駕しています。その鍵となるのは炭化ケイ素（SiC）MOSFET技術で、従来のシリコンベースドライブと比較して、同一サイズで約40％多い出力を実現します。これは実際の現場運用において何を意味するのでしょうか？ 機械はより大きなトルクを発生させながら、制御盤内での占有スペースを縮小できます。さらに、SiC素子はその広いバンドギャップ特性により発熱量が大幅に低減され、導通損失を約35％削減します。発熱量の低減は、部品の寿命延長につながるだけでなく、機械に大型の冷却装置を取り付ける必要がなくなるため、CNC工作機械工場など、設備が24時間連続運転される産業分野において、極めて大きなメリットをもたらします。こうしたすべての改善により、機械が高負荷で稼働している際の制御精度が向上し、工場の床面積を節約できるコンパクトな設計が可能となり、最終的には、コストを厳密に管理する工場管理者にとって、長期的なコスト削減が実現されます。