速度リップルとは？原因・影響と現場で使える低減対策ガイド

速度リップルは、モーターや機械システムにおいて回転や直線運動の速度が不規則に変動する現象を指します。この記事では、速度リップルの基本的な定義から原因、影響、そして効果的な低減方法までを詳しく解説します。さまざまな分野で活用されるモーター技術の精度を高めるために役立つ情報を提供します。

速度リップルの基本概念

速度リップルは、主にモーターのトルクリップルによって引き起こされる速度の揺らぎです。トルクリップルとは、モーターが1回転する間に発生するトルクの最大値と最小値の差が平均トルクに対してどの程度変動するかを示す指標で、パーセンテージで表されます。このトルクの変動が速度の安定性を損ない、ぎくしゃくした動きを生み出します。特に、直線運動アプリケーションでは、軸を一定速度まで加速する際にこの影響が顕著に現れます。

モーターの種類によって速度リップルの特性は異なります。例えば、ブラシレスDCモーター（BLDC）では、ステーターの巻線に方形波状の電流が流れ、電気サイクルごとに複数のステップが発生します。しかし、巻線のインダクタンスにより電流が瞬時に変化せず、トルクが周期的に変動します。この変動周波数は回転速度に比例するため、低速時ほど目立ち、高速時には慣性により平滑化されやすい傾向があります。

速度リップルの主な原因

速度リップルの発生源は多岐にわたりますが、モーター内部の構造や制御方式が大きな要因です。まず、ステッピングモーターでは、電流のステップごとの変化がトルク変動を招き、それが速度リップルに直結します。また、BLDCモーターではローターの極数や巻線配置が影響を与えます。

さらに、電源関連の要因も無視できません。電源出力に含まれるリップル成分、つまり直流に重畳される脈動電圧や電流がモーターの動作を不安定にします。このリップルは、電源の入力周波数（50Hzや60Hz）やスイッチング周波数に同期したもので、平滑コンデンサの容量や出力フィルタの設計によって決まります。スイッチング電源では、特に高周波の変動が速度制御に悪影響を及ぼすことがあります。

電流リップルも重要な原因の一つです。スイッチング周波数に依存した電流の脈動がモーターのトルク生成を乱し、結果として速度リップルを増大させます。大容量のコンデンサやチョークコイルを使った平滑回路でこれを抑えることが一般的ですが、応答速度のトレードオフが生じます。

速度リップルがもたらす影響

速度リップルは、精密機械やロボット工学、CNC機械などのアプリケーションで問題となります。不安定な速度変動は位置決め精度を低下させ、加工品の品質を損ないます。例えば、直線運動ガイドでは、軸の加速時に生じる「ぎくしゃくした」動作が振動を誘発し、機械全体の寿命を短くする可能性があります。

一方で、高速回転時にはモーターと負荷の慣性が変動を吸収するため、影響が軽減されます。この特性を理解することで、運用条件に応じた最適化が可能です。また、電気自動車の駆動システムでは、加速時の電力変動がリップルを生み、EMC（電磁両立性）対策が必要となりますが、適切な設計で安定した動作を実現できます。

速度リップルを低減するための実践的な方法

速度リップルを抑えるアプローチは、機械的・電気的・制御的な方法に分けられます。まず、機械的な改善として、ステーターの巻線数を増やしたり、ローターの極数を最適化したりすることが効果的です。これにより、トルク変動の周波数を高め、慣性による平滑化を促進します。

電気的な対策では、電源のリップル低減が鍵です。入力平滑コンデンサの容量を増やしたり、出力フィルタを強化したりすることで、脈動成分を最小限に抑えられます。リニアレギュレータの活用も有効で、高いリップル除去率（40dB以上）により、出力電圧の安定性を向上させます。リップル除去率は対数スケールで表され、入力リップルに対する出力抑制効果を示します。

制御面では、ベクトル制御やセンサーレス制御を導入することで、電流のリアルタイム調整が可能になります。これにより、ステップごとのトルク変動を補正し、スムーズな速度維持を実現します。また、インバータのスイッチング周波数を最適化し、電流リップルを分散させる手法も広く用いられています。

モーター別速度リップルの特徴

ステッピングモーターの場合、開放ループ制御下で顕著な速度リップルが発生しますが、マイクロステップ駆動によりステップを細分化することで大幅に改善可能です。BLDCモーターでは、バックEMF（逆起電力）の波形を正弦波に近づけるトラップezoidal制御の改良が有効です。

サーボモーターでは、フィードバック制御が標準的に備わっているため、速度リップルは比較的抑えられますが、高精度用途では追加のフィルタリングが必要です。直流モーターではブラシの接触不良が原因となる場合があり、ブラシレス化が根本解決策となります。

電源設計における速度リップル対策

電源のリップルは速度リップルの間接的な原因です。リップルはrms（実効値）やp-p（ピークtoピーク）で測定され、低リップル電源の選定が重要です。例えば、スイッチング電源では出力フィルタのLC回路を工夫し、ノイズとの区別を明確にします。リップルは同期した低周波成分、ノイズは高周波成分として扱われます。

リニアレギュレータは優れたリップル除去性能を持ち、出力にさざ波状の変動を残しません。負荷過渡応答や入力過渡応答も考慮し、応答速度を最適化することで、モーター駆動時の安定性を高めます。