サーボモーターとドライブ

サーボモーター

サーボモーターは、自動制御システムの制御信号に基づいて正確な位置、速度、トルク制御を実現できるモーターの一種です。サーボは高い精度、パフォーマンス、および安定性を提供し、それらを正確なモーション制御を必要とするアプリケーションで広く使用されています。サーボモーターは通常、フィードバックデバイス（エンコーダやセンサーなど）を介してリアルタイムの位置と速度フィードバックを提供し、実際の条件に基づいて制御信号をタイムリーに調整して、モーターの正確な位置を維持できます。サーボモーターは通常、DCサーボモーター、ACサーボモーター、ステッパーサーボモーターの3つのタイプに分類されます。

DCサーボモーターは、自動制御システムで広く使用されているモーターの一種です。従来のDCモーターと比較して、それらは閉ループ制御システムを備えており、フィードバック信号に基づいて制御信号のリアルタイム調整を可能にします。 DCサーボモーターは、より高い速度と応答速度、およびより大きなトルク出力を提供します。ただし、より安定した電源が必要です。

ACサーボモーターは、固定子の巻き取りと回転型のアーマチュアで構成されています。ステーターの巻線は通常、磁場を生成し、回転アーマチュアは負荷を運び、回転させます。電気モーターは、磁場でワイヤのコイルを回転させることで動作します。 ACサーボモーターは、電流と磁場のさまざまな組み合わせにより、効率的かつ正確なモーション制御を実現します。 ACサーボモーターは、高速、高精度、および高トルク出力を提供し、ロボット工学、自動化機器、CNC工作機械などの高性能モーション制御を必要とするアプリケーションに適しています。ただし、DCモーターと比較して、ACサ​​ーボモーターは一般により複雑な制御システムが必要であり、一般的により高価です。

サーボドライブ

サーボドライブは、サーボモーターの動きを制御するために使用されるデバイスであり、サーボシステムの不可欠なコンポーネントです。通常、正確な位置、速度、力制御を実現するために、サーボモーターと組み合わせて使用​​されます。サーボドライブは通常、さまざまな制御アルゴリズムを統合して、コントロール信号に基づいてモーターの速度と位置を正確に調整します。エンコーダーのフィードバックをサポートし、モーターの位置と速度をリアルタイムで監視し、閉ループ制御を達成し、制御の精度と安定性を改善します。また、ホストコンピューターやその他のデバイスと通信するためのさまざまな通信インターフェイスが装備されており、リモートの監視と制御を可能にします。サーボドライブには、過電流、過剰緊張、過電圧、位相損失保護などのさまざまな保護機能も含まれており、モーターとドライブが安全な範囲内で動作するようにします。サーボドライブの主な機能は、制御信号を受信し、内部制御アルゴリズムを使用して電流に変換してサーボモーターを制御することです。

パワーエレクトロニクステクノロジーと最新の制御理論の急速な発展により、完全なデジタルサーボドライブシステムが主流になりました。サーボドライブは、高精度、高性能、統合、モジュール化、普遍性、ネットワーキング、インテリジェンスにも向かっています。
 

1）高精度と高性能
通常、サーボドライブは、多くの場合、高速マイクロコントローラーをコアプロセッサとして使用して、コンピューティング速度と処理能力を高めます。エンコーダーの精度が向上すると、低速でのサーボドライブのパフォーマンスと制御の精度が向上し、高精度の産業用ロボット工学で特に人気があります。高度な非線形制御とパラメーターの識別やセルフチューニングなどの高度な制御方法と戦略の導入により、サーボドライブのパフォーマンスがさらに向上しました。

2）統合とモジュール性

産業用ロボットの小型化と半導体技術の継続的な進歩により、サーボドライブとモーターは小型化、統合、統合に向かっています。この傾向は、統合されたアーム、DSP、およびFPGAコントローラーが主流になるため、サーボコントローラーのコンピューティング能力を大幅に増加させました。

モジュール性には、サーボドライブをその機能に基づいてモジュールに分割し、それらを組み合わせて特定のニーズを満たすことが含まれます。モジュール性には、個々のモジュールの開発と設計が必要であり、特定のニーズを満たすために組み合わせて設計コストを削減できます。また、モジュール性により、システムの柔軟性が向上し、サーボドライブシステムのメンテナンスが促進されます。

3）普遍化
Universalizationはサーボドライブのさまざまな機能を統合し、ユーザーがハードウェア構成を変更せずに、閉ループベクトル制御、モーター制御、オープンループベクトル制御など、さまざまな動作モードを制御できるようにし、多様な作業環境でのアプリケーションを可能にします。

現在、ユニバーサルサーボドライブは比較的高価であり、特定のアプリケーションではまだ最適なアプリケーションがありません。したがって、コストを削減し、小型化を達成するには、特殊なサーボドライブの設計が必要です。

4）ネットワーキング
産業技術の継続的な進歩と産業環境に課せられる需要の増加により、RS485などのフィールドバス通信技術は、多くの場合、リアルタイムのコミュニケーションの低さと通信速度が低いことを特徴としており、近代的な工業生産の要求を満たすことができません。その結果、Etercatなどの産業用イーサネットバステクノロジーは、サーバー駆動型のシステムに適用され始めています。産業用イーサネットバステクノロジーは、リアルタイムの制御要件を満たすことができ、産業制御業界で広く使用されています。

5）知性
産業用ロボット工学の分野では、インテリジェンスは現在、サーボドライブの開発における大きな傾向です。インテリジェントな制御戦略を通じて、サーボドライブは、自己適応や自己学習などの人工知能機能を備えています。サーボドライブのインテリジェンスは、産業用ロボットのデバッグ時間を簡素化し、大幅に短縮します。また、担当者のデバッグに関する技術的要件を大幅に低下させ、それにより運用コストを削減します。

ドライバーハードウェアデザイン

主要なサーボドライバーメーカーとして、Tonghangの製品は主に、コントロールチップ、ドライバー回路、電源回路、電圧検出回路、現在のサンプリング回路、通信インターフェイス回路、エンコーダーインターフェイス回路などのハードウェアコンポーネントで構成されています。これらの回路により、サーボドライバーのさまざまな機能が可能になり、安定した信頼性の高いシステム操作が確保されます。したがって、サーボドライバーのハードウェア調査では、各回路の分析と統合が重要です。

1。チップ選択

ハードウェア制御回路は、サーボドライブで重要な役割を果たします。主に、アナログ信号のサンプリング、モーターエンコーダーパルスのカウント、およびPWM波形の出力を制御アルゴリズムを介してインバーター回路を制御し、それによりサーボモーターの正確な制御を実現する責任があります。

サーボドライブコントローラーのコアコンポーネントとして、制御回路は複数の機能を満たします。
1）高速応答：制御回路は、センサーフィードバック信号に迅速に応答し、アルゴリズムの命令を制御して、高速かつ正確なモーター制御を実現できる必要があります。
2）高い信頼性：制御回路は、システム全体の安全性と安定性を保護し、安定した信頼性の高い動作を確保するために、厳密な設計とテストを受ける必要があります。
3）高速コンピューティング：制御アルゴリズムの実装には、大量の高速データ処理が必要なため、制御回路チップには高性能処理機能とコンピューティング速度が必要です。
4）高精度制御：高精度のモーター制御を実現するには、制御回路は、コントロールアルゴリズムの精度と精度を確保するために高精度のデータ処理機能を必要とします{. 5）リアルタイムモニタリング：コントロール回路は、モーターのさまざまなインジケーターを実生活で監視およびフィードバックし、モーターを検出し、モーターを保護するために、モーターを検出して保護することができる必要があります。したがって、制御回路のチップ選択のために、制御回路がサーボモーターの正確な制御を安定、正確かつ効率的に実現し、システム全体の安定した動作を確保できるようにするために、上記の要件を完全に考慮する必要があります。

2。出力駆動回路

サーボドライブの出力ドライブ回路は、制御信号をモーターモーションに変換する重要なコンポーネントです。 6つのNチャネルMOSトランジスタで構成される3相ハーフブリッジドライブ回路で構成されています。出力駆動回路には、出力電流を2つのパスに分割し、微分電流サンプリング回路に送信する電流回路も含まれています。この回路は、制御システムにフィードバックし、閉ループ制御を完了します。

3。微分電流サンプリング回路

微分電流サンプリング回路は、サーボモーター相電流信号の変化を測定および獲得するために一般的に使用されます。この回路は、サーボドライブの制御と保護に不可欠です。微分電流サンプリング回路によって測定されたモーター相電流信号は、モーターを駆動するために必要な主要な入力パラメーターであり、モーターの負荷と動作状態を直接反映します。サーボドライブは、閉ループ制御システムを採用して、サーボモーターの動きの正確な制御を実現します。差動電流サンプリング回路は、モーターの出力電流を調整して目的の運動特性と位置を実現するために使用されるフィードバック信号を提供します。微分電流サンプリング回路図を図に示します。以下は、微分電流サンプリングプロセスです。

まず、電流センサーはモーターの位相電流を電流信号に変換します。これらの電流信号は、動作中にモーターによって消費される電流を表します。次に、微分電流サンプリング回路が電流信号を2つのパスに分割し、2つのパス間で差動測定を実行して、現在の信号間の違いを取得します。この微分信号は、動作アンプによって処理されます。差動電流サンプリング回路の動作アンプは、差動信号を増幅し、電流を電圧に変換し、信号振幅と安定性を改善します。最後に、処理された信号は、フィードバック制御システムへの入力として機能します。フィードバック信号を設定値と比較することにより、制御システムはモーター出力を調整して、目的のモーション状態を実現します。

4。エンコーダー電源回路

サーボモーターのエンコーダーには、個別の電源が必要です。適切な操作と正確な位置フィードバックを確保するには、適切な電源を供給する必要があります。 Tonghangが選択したサーボモーターエンコーダーは5V電源を使用しているため、エンコーダ電源回路は、安定した信頼性の高い動作と正確な位置フィードバック信号を確保するために、着信電源を辞任する必要があります。

エンコーダー電源回路を図に示します。外部24V DC電源に接続した後、入力電源は最初に複数の並列コンデンサを通過します。これらのコンデンサは、入力電源のノイズと波紋を減らし、電圧を安定させます。 DC-DCステップダウンレギュレーターチップは、最初のステップダウンを実行し、電源電圧を8Vに削減します。結果の8V電圧には2つの宛先があります。まず、出力ドライバー回路の電源として使用されます。第二に、複数の平行コンデンサを介して電圧をフィルタリングして安定化した後、レギュレータは入力8V電圧を+5 V出力電圧に安定させます。線形レギュレータチップは、内部回路を使用して、指定された出力電圧に入力電圧を安定させます。このレギュレータは、固定{+5 V電圧を出力します。

5。ネットワークインターフェイス回路

ネットワークインターフェイス回路は、スレーブとマスターの間で通信機能を運ぶコンピューターまたはネットワークデバイスを接続するイーサネットインターフェイス回路です。スレーブとマスター間の通信には、外部ネットワークケーブルが必要です。ただし、スレーブコントローラーにはPHYインターフェイスがありますが、ネットワークケーブルインターフェイスに直接接続することはできません。したがって、ネットワークケーブルを接続してマスターと通信するには、追加のネットワークケーブルインターフェイスが必要です。

Tonghangシリーズのイーサネットポートは、通常、高周波信号伝送と処理用に設計されており、高性能と安定性を提供します。ポートの組み込み磁気ネットワークトランスは、データ送信中の信号伝送と安定性を高め、外部干渉と電気ノイズがデバイスに到達するのを防ぎます。組み込みのコンデンサと抵抗器もシグナルをろ過および分離し、信号の安定性と干渉抵抗をさらに改善します。

6。エンコーダーインターフェイス回路

エンコーダはサーボシステムの重要なコンポーネントであり、位置と速度のフィードバックを提供します。エンコーダーは、モーター回転を表すパルス信号を出力します。エンコーダインターフェイス回路は、これらのパルス信号を解釈し、モーターの実際の位置や速度などの情報に変換します。エンコーダインターフェイス回路には、エンコーダーに5V電源が供給され、エンコーダー電源回路によって辞任され、操作中に安定した電源が確保されます。

サーボモーターのエンコーダーは、インクリメンタルエンコーダーです。このエンコーダーは、パルス信号を生成して、位置の変化を示します。これらのパルス信号は、フェーズA、B、およびZで構成されています。フェーズAおよびBは、位置と方向を測定するために使用されますが、フェーズZは通常、基準点またはゼロ位置を識別するために使用されます。

7。USBからシリアル回路

USBからシリアル回路は、サーボドライブとコンピューター間の通信を可能にします。回路全体のコアコンポーネントとして、受信したデータをUSBインターフェイスからシリアル形式に変換し、シリアルデータをサーボドライブに送信します。 USBからシリアル回路を図に示します。

8。ブレーキインターフェイス回路

ブレーキインターフェイス回路は、サーボモーターのブレーキアクションを制御し、迅速かつ正確に停止できるようにします。ブレーキインターフェイス回路は、ブレーキ制御信号またはブレーキリリース信号を受信し、それらを適切な制御信号に変換して、サーボドライブのブレーキアクションをアクティブ化または非アクティブ化します。ブレーキインターフェイス回路を図に示します。図の操作アンプ（OP AMP）は、ブレーキインターフェイス回路の重要なコンポーネントです。干渉信号がブレーキ信号に入ると、OP AMPがフィルター回路と組み合わされ、入力信号をフィルタリングし、干渉を削除し、ブレーキ信号の有効な部分を保持します。 OP AMPは、信号増幅、比較、条件付けなど、複数の関数も実行します。

9。電源電圧検出回路

電源電圧検出回路は、電源電圧レベルを監視し、指定された動作範囲内で安定したままであることを確認します。電源電圧をリアルタイムで監視することにより、電源電圧検出回路はシステムの安全性と信頼性を改善するのに役立ちます。図13は、電源電圧検出回路を示しています。電圧分割後、22Qの電圧はADCサンプリングポートを介してサンプリングされます。ソフトウェアは、実際の電圧が必要な電圧を満たしているかどうかを計算します。電圧値が正常な場合にのみ、サーボドライブは正常に動作できます。

10。LED回路およびスイッチ回路

LED回路はIO出力機能を検証する一方、スレーブのIO入力機能を確認するためにスイッチ回路が追加されます。図に示すように、スイッチ回路は3.3V電圧に接続されています。機械的振動を排除するために、抵抗器が回路に追加されます。図に示されているLED回路設計では、LEDの一方の端がGNDに接続されており、もう一方の端は、マイクロプロセッサピンから高レベルを出力するだけで照らすことができます。 LEDは1.2Vで動作し、ステップダウン回路を使用して3.3Vの電圧を下げます。ステップダウン回路を図15に示します。AMS117電圧レギュレータチップを使用して設計された3.3Vステップダウン回路は、LED回路の1.2V電圧を生成します。

11。温度測定回路

温度値は、ADCに接続されているNTC（負の温度係数）温度センサーによってサンプリングおよび処理されます。 NTCは負の温度係数サーミスタであり、温度が上昇すると抵抗が減少します。 NTCの抵抗は温度とともに指数関数的に変化するため、抵抗を測定することで温度を推測できます。電流がNTC温度センサーを通過すると、一定量の熱が生成されます。この熱を時間内に放散できない場合、NTC温度センサーの温度が上昇し、抵抗が減少します。この場合、電流は大幅に増加し、NTC温度センサーの温度がさらに上昇し、悪循環を形成し、最終的にNTC温度センサーの過熱につながり、燃やしたり発火したりします。

12。ハードウェアの実装

ハードウェアの実装には、主にサーボドライブが含まれます。サーボドライブの図を図に示します。

Tonghangは、サーボドライブのハードウェアの詳細な設計を実施し、ハードウェアの実装を完了しました。彼は、マイクロコントローラー、スレーブコントローラー、ドライブ回路、差動電流サンプリング回路、エンコーダインターフェイス回路、ネットワークケーブルインターフェイス回路など、各モジュールで詳細な研究を実施しました。彼はまた、実際の回路基板を実証しました。