サーボモーター

サーボモーターとは何ですか

 

サーボモーターは、サーボシステムでの機械コンポーネントの動作を制御するモーターです。これは、間接速度の変化を伴う補助モーターの一種です。

 

サーボモーターは、非常に正確な位置決めの精度で速度を制御でき、電圧信号をトルクと速度に変換して制御されたオブジェクトを駆動します。サーボモーターのローター速度は、入力信号によって制御され、迅速に応答します。自動制御システムのアクチュエータとして使用され、小さな電気機械的時代定数と高い直線性を備えています。受信した電気信号をモーターシャフトの角度変位または角速度出力に変換します。サーボモーターは、DCとACの2つのカテゴリに分類されます。それらの主な特徴は、信号電圧がゼロのときに自己-回転を示さず、トルクが増加すると速度が均一に低下することです。

 

サーボモーターの作業原則

 

サーボシステムは、出力変数（例、位置、方向、または状態）が入力ターゲット（または設定値）の任意の変更に従うことを可能にする自動制御システムです。サーボは主にポジショニングのためにパルスに依存しています。基本的に、サーボモーターがパルスを受信すると、そのパルスに対応する角度によって回転し、それにより変位が達成されます。サーボモーター自体がパルスを発するため、回転する各角度に対応する数のパルスを送信し、受信するパルスで閉ループを作成します。これにより、システムは、サーボモーターに送信されたパルスの数と、返信したパルスの数を保証します。これにより、モーターの回転を正確に制御できるようになり、0.001mmという低いポジショニングの精度が達成されます。 DCサーボモーターは、ブラシとブラシレスに分類されます。ブラシ付きモーターは、低コスト、シンプルな構造、高い開始トルク、広い速度の範囲、および制御の容易さを提供します。メンテナンスは必要ですが、（カーボンブラシの交換により）不便であり、電磁干渉を生成し、環境要件があります。したがって、それらはコスト{-敏感な一般的な産業および消費者アプリケーションに適しています。

ブラシレスモーターはコンパクトで軽量で、高出力、高速応答、高速、低慣性、滑らかな回転、安定したトルクを提供します。複雑なコントロールはインテリジェントなテクノロジーで簡単に実装できますが、電子整流は柔軟性があり、正方形の-波とSine -波の両方の波整流をサポートします。それらはメンテナンス-無料で非常に効率的で、冷却され、最小限の電磁放射を放出し、長い寿命を持ち、さまざまな環境での使用に適しています。

 

ACサーボモーターもブラシレスモーターであり、同期モーターおよび非同期モーターに分類されています。通常、同期モーターはモーションコントロールで使用されます。彼らは広い電力範囲を持ち、非常に高い出力を達成することができます。それらの高い慣性は、電力が増加するにつれて急速に減少する最大速度が低く、低-速度、安定した動作を必要とするアプリケーションに適しています。

 

サーボモーター内のローターは永久磁石です。ドライバーによって制御される3つの-フェーズU/n/n電流は、電磁界を作成し、ローターを回転させます。同時に、エンコーダ内のモーターの構築された-は、ドライバーにフィードバックを提供します。ドライバーはフィードバックをターゲット値と比較し、ローターの回転角を調整します。サーボモーターの精度は、エンコーダの精度（ラインカウント）によって決定されます。

 

ACサーボモーターとブラシレスDCサーボモーターの機能的な違いは、ACサーボが正弦波制御を使用し、トルクリップルが低いため優れていることです。 DCサーボは台形波制御を使用します。

 

サーボモーターの選択の比較

 

ACサーボモーター

ACサーボモーターのステーター構造は、本質的にコンデンサ-分割単一-位相非同期モーターの構造と類似しています。ステーターには、90度離れた位置にある2つの巻線が装備されています。常にAC電圧UFに接続されている励起巻線RF。制御信号電圧UCに接続されている制御巻線L。したがって、ACサ​​ーボモーターは2つの-位相サーボモーターとも呼ばれます。

 

ACサーボモーターのローターは、通常、リス{-ケージタイプです。ただし、広範な速度調節範囲、線形機械的特性、「自己-回転」現象を確保するために、および迅速な応答は、サーボモーターが通常のモーターと比較して高いローター抵抗と低いモーメントの慣性を持つ必要があります。一般的に使用される2つのローター構造は次のとおりです。リス{-ケージローターは、高-抵抗性バーを備えた-抵抗率導電性材料で作られています。ローターの慣性モーメントを減らすために、ローターは細いです。もう1つは、非常に薄い壁を備えたアルミニウム合金で作られた中空のカップローターで、わずか0.2〜0.3 mmです。磁気回路の磁気抵抗を減らすために、固定内側の固定子が中空のカップローター内に配置されます。中空のカップローターは、低いモーメントの慣性モーメント、迅速な応答、滑らかな動作を提供し、それらを広く採用しています。

 

制御電圧が適用されない場合、ACサーボモーターの固定子は、励起巻線によって生成される脈動磁場のみにさらされ、ローターは静止したままです。制御電圧が適用されると、固定子内で回転磁場が生成され、回転磁場の方向にローターが回転します。一定の負荷条件下では、モーターの速度は制御電圧の大きさによって異なります。制御電圧が位相が外れている場合、サーボモーターが逆転します。

 

永久磁石ACサーボモーター

 

1980年代以来、統合回路、パワーエレクトロニクステクノロジー、AC可変スピードドライブテクノロジーの開発により、永続的なマグネットACサーボドライブテクノロジーは顕著な進歩を遂げています。さまざまな国の有名な電気メーカーは、独自のACサーボモーターおよびサーボドライブシリーズ製品を連続的に発売し、継続的に改善および更新しました。 ACサーボシステムは、現代的な高-パフォーマンスサーボシステムの主な開発方向になり、元のDCサーボに直面していることが排除されるという危機になります。 1990年代以降、世界中のさまざまな国で商品化されたACサーボシステムは、完全にデジタル制御された正弦波モーターサーボドライブを使用しています。送信フィールドでのACサーボドライブデバイスの開発は、1日ごとに変化しています。

 

DCサーボモーターと比較して、永続的なマグネットACサーボモーターの主な利点は次のとおりです。

（1）ブラシや整流器がないため、確実に機能し、メンテナンスとサービスの要件が低い。

（2）ステーター巻き熱散逸は比較的便利です

（3）小さな慣性、システムの速度を改善しやすい

（4）高-速度と高-トルク作業条件に適応します

（5）同じ電力での体積と重量が少ない

 

サーボモーターと単一-相の非同期モーターの比較

 

ACサーボモーターの動作原理は、Split {-位相単一-位相非同期モーターの動作原理と類似していますが、サーボモーターのローター抵抗ははるかに大きくなります。したがって、サーボモーターには、単一の-相の非同期モーターよりも3つの異なる利点があります。

 

1。高始動トルク

この高いローター抵抗は、通常の非同期モーターのトルク特性曲線とは大きく異なります。これにより、クリティカルスリップS0が1より大きくなり、トルク特性（機械的特性）がより直線的になり、より高い開始トルクが提供されます。したがって、ステーター制御電圧が印加されるとすぐに、ローターはすぐに回転し、その結果、速い開始と高感度が得られます。

2。幅広い動作範囲

3。Noself -回転

 

通常動作するサーボモーターは、制御電圧が失われるとすぐに停止します。サーボモーターが制御電圧を失うと、単一の-位相状態で動作します。ローター抵抗が高いため、ステーター内の2つの反対に回転する磁場間の相互作用は、2つのトルク特性（T1 - S1およびT2-S2曲線）と複合トルク特性（TS曲線）を生成します。

 

ACサーボモーターの出力電力は一般に0.1〜100Wの範囲です。電源周波数が50Hzの場合、電圧は36V、110V、220V、および380Vです。電源周波数が400Hzの場合、電圧は20V、26V、36V、および115Vです。

 

ACサーボモーターは、スムーズかつ静かに動作します。ただし、それらの制御特性は非線形であり、ローター抵抗が高いため、損失は高く、効率は低いです。したがって、同じ容量のDCサーボモーターと比較して、それらは大きくて重いため、0.5-100W範囲の低-電力制御システムにのみ適しています。

 

サーボモーターのデバッグ方法

 

1。パラメーターの初期化

配線の前に、パラメーターを初期化します。
コントロールカードで：コントロールモードを選択します。 PIDパラメーターをゼロにクリアし、コントロールカードの電源を入れたときにデフォルトで有効な信号を無効にします。この状態を保存して、コントロールカードが再び電源を入れたときにこの状態にあることを確認してください。
サーボモーターで：制御モードを設定します。外部的に有効にします。エンコーダ信号出力のギア比を設定します。制御信号とモーター速度の比率を設定します。一般的に言えば、サーボの最大設計速度を9V制御電圧に設定することをお勧めします。たとえば、私たちのシリーズの1つは、1V電圧に対して500の速度設定があります。 1000 rpm未満の速度でモーターを操作することのみを計画している場合は、このパラメーターを111に設定します。

 

2。配線
コントロールカードを外し、コントロールカードとサーボ間の信号ケーブルを接続します。次のケーブルが必要です。コントロールカードからのアナログ出力ケーブル、有効な信号ケーブル、サーボ出力からのエンコーダー信号ケーブル。配線を確認した後、モーターとコントロールカード（およびPC）の電源。モーターは動いてはならず、力で簡単に回転する必要があります。そうでない場合は、有効な信号設定と配線を確認してください。モーターを回転させて、コントロールカードがモーター位置の変化を正しく検出できることを確認します。そうでない場合は、エンコーダ信号の配線と設定を確認してください。

 

3。方向をテストします
閉じた-ループ制御システムの場合、誤ったフィードバック信号方向は悲惨な場合があります。コントロールカードを介してサーボを有効にする信号を有効にします。サーボは、「ゼロドリフト」と呼ばれるより遅い速度で回転するようになりました。通常、コントロールカードには、ゼロドリフトを抑制するコマンドまたはパラメーターが含まれています。このコマンドまたはパラメーターを使用して、モーターの速度と方向を制御できるかどうかをテストします。そうでない場合は、アナログ配線と制御方法のパラメーター設定を確認してください。正の値が前方のモーターの回転を示し、エンコーダー数が増加することを確認し、負の値は逆モーターの回転を示し、エンコーダー数は減少します。モーターが積み込まれ、移動が制限されている場合は、この方法を使用しないでください。テスト中の過度の電圧を避けてください。 1V以下に保つことをお勧めします。方向が一貫していない場合は、コントロールカードまたはモーターのパラメーターを調整して調整します。

 

4。ゼロドリフト抑制
閉じた-ループ制御中、ゼロドリフトはコントロールの有効性に影響を与える可能性があるため、抑制することが最善です。コントロールカードまたはサーバーのゼロドリフト抑制パラメーターを使用して、モーター速度をゼロ近くに慎重に調整します。ゼロドリフト自体にはある程度のランダム性があるため、モーター速度を絶対にゼロにする必要はありません。

 

5。閉じた-ループ制御を確立します
re -コントロールカードを介してサーボを有効にする信号を有効にします。コントロールカードに小さな比例ゲインを入力します。どれだけ大きいと見なされるかについては、腸の感覚のみを使用することしかできません。本当に不明な場合は、コントロールカードで許可されている最小値を入力してください。コントロールカードとサーボの両方の有効な信号をオンにします。この時点で、モーターはモーションコマンドに大まかに従うことができるはずです。

 

6。閉じた-ループパラメーターを調整します
制御パラメーターを細かく調整して、コントロールカードの指示に従ってモーターが移動するようにすることが不可欠であり、プロセスのこの部分は経験に大きく依存しています。

 

サーボモーターとステッピングモーターのパフォーマンス比較

 

オープン-ループ制御システムとして、ステッパーモーターは本質的に最新のデジタル制御テクノロジーにリンクされています。 Stepper Motorsは、国内のデジタル制御システムで広く使用されています。完全にデジタルACサーボシステムの出現により、ACサーボモーターもデジタル制御システムでますます使用されています。デジタル制御の開発動向に適応するために、モーションコントロールシステムは主にステッパーモーターまたは完全なデジタルACサーボモーターをアクチュエータモーターとして使用します。それらの制御方法は類似していますが（パルス列車と方向信号）、パフォーマンスとアプリケーションのシナリオが大きく異なります。このペーパーでは、パフォーマンスを比較しています。

 

1。異なる制御精度
2つの{-位相ハイブリッドステッパーモーターのステップ角は、一般に1.8度と0.9度ですが、5つの-フェーズハイブリッドステッパーモーターのステップは一般に0.72度および0.36度です。いくつかの高い-パフォーマンスステッピングモーターは、下位​​区分を通してさらに小さなステップ角を達成できます。

ACサーボモーターの制御精度は、モーターシャフトの後端にあるロータリーエンコーダーによって保証されます。デジタルACサーボモーターを例として取り、標準の2000ラインエンコーダーを備えたモーターの場合、ドライバーの内部四重周波数テクノロジーは、360度 /8000=0.045度に相当するパルスを生成します。 17ビットエンコーダーを備えたモーターの場合、ドライバーはモーター革命ごとに131,072個のパルスを受け取り、360度 /131、072=0.0027466程度に相当するパルスが得られます。

 

2。異なる低-周波数特性
ステッピングモーターは、低速での-周波数振動を起こしやすいです。振動周波数は負荷とドライバーの性能に依存し、一般にモーターのNO -荷重開始周波数の半分と見なされます。ステッパーモーターの動作原理によって決定されるこの低-周波数振動は、マシンの通常の動作に有害です。 Stepper Motorsが低速で動作する場合、通常、ダンピング技術は、モーターにダンパーを追加したり、ドライバーにサブディビジョンテクノロジーを実装するなど、低-周波数振動を克服するために使用されます。

ACサーボモーターは、低速でも振動することなく、非常にスムーズに動作します。 ACサーボシステムには、機械的な剛性の欠陥に対処するための共鳴抑制機能があります。さらに、周波数-解像度関数（FFT）でシステムの構築-は、機械的共鳴ポイントを検出し、システムの調整を促進することができます。

 

3。異なるトルク-周波数特性
ステッピングモーターの出力トルクは、速度が上昇すると減少し、高速では急激に低下します。したがって、その最大動作速度は一般に300〜600 rpmです。 ACサーボモーターは一定のトルク出力を提供します。つまり、定格トルクを定格速度（通常は2000 rpmまたは3000 rpm）まで提供できることを意味します。定格速度を超えて、彼らは一定の電力をもたらします。

 

4。異なる過負荷容量。

ステッピングモーターは一般に過負荷容量を欠いています。ただし、ACサーボモーターには強力な過負荷容量があります。たとえば、Sanyo ACサーボシステムは、速度とトルクの過負荷機能の両方を提供します。それらの最大トルクは、定格トルクの2〜3倍であり、起動時の慣性負荷の慣性瞬間を克服するために使用できます。ステッピングモーターにはこの過負荷容量がないため、モデル選択中にこの慣性の瞬間を克服するには、多くの場合、より高いトルクが必要です。ただし、通常の機械操作中はこの高いトルクは必要ありません。これにより、トルクが無駄になります。

 

5。異なる操作パフォーマンス
ステッピングモーターは-ループ制御されています。高い開始周波数または過剰な負荷は、容易に失われたステップや失速につながる可能性があります。停止中の高速は、オーバーシュートを引き起こす可能性があります。したがって、制御精度を確保するには、適切な加速と減速に対処する必要があります。 ACサーボドライブシステムは、閉じた-ループ制御を利用します。ドライバーは、モーターエンコーダーフィードバック信号を直接サンプリングし、位置ループと速度ループを内部的に形成します。これにより、一般に、ステッパーモーターに関連する失われたステップまたはオーバーシュートが防止され、より信頼性の高い制御性能が発生します。

 

6。異なる速度応答パフォーマンス
ステッピングモーターは、200〜400ミリ秒かかり、停止から動作速度に加速します（通常、1分あたり数百回転）。 ACサーボシステムは、優れた加速パフォーマンスを提供します。たとえば、ACサーボモーターは、数ミリ秒で停止から3000 rpmの定格速度に加速し、迅速な開始時間と停止時間を必要とする制御アプリケーションに適しています。

要約すると、ACサーボシステムは多くのパフォーマンスの面でステッパーモーターよりも優れています。ただし、ステッピングモーターは、要求の少ないアプリケーションでアクチュエータモーターとしてよく使用されます。したがって、制御システムを設計するときは、適切な制御モーターを選択するには、制御要件やコストを含む複数の要因を包括的に考慮することが重要です。

 

サーボモーターの選択計算

 

1.速度とエンコーダーの解像度を確認します。
2。モーターシャフトの負荷トルクを変換し、加速度と減速トルクを計算します。
3.負荷慣性を計算し、慣性に一致させます。たとえば、私たちのシリーズでは、一部の製品は最大50倍慣性と一致させることができますが、精度と応答速度のために優れているほど優れています。
4.再生抵抗器を計算して選択します。 2 kWを超えるサーボの場合、外部抵抗器が一般的に必要です。
5.ケーブルの選択：エンコーダーケーブルはねじれてシールドする必要があります。当社の製品の場合、絶対エンコーダーには6つのコアがあり、増分エンコーダには4つのコアがあります。

 

ブレーキモード

 

多くの場合、ユーザーは電磁ブレーキ、再生ブレーキ、動的ブレーキの機能を混同し、間違ったアクセサリを選択します。

ダイナミックブレーキは、ダイナミックブレーキ抵抗器で構成されており、断層、緊急停止、または停電が発生した場合にエネルギー消費ブレーキを介してサーボモーターの機械的供給距離を短縮します。

再生ブレーキは、インバーター回路を介してDCバスに戻され、抵抗器-コンデンサ回路によって吸収される、減速または停止するときにサーボモーターによって生成されるエネルギーを指します。

 

電磁ブレーキは、機械装置からモーターシャフトをロックします。

 

3つの違い：

（1）サーボが正常に動作している場合、再生ブレーキは効果的でなければなりません。障害、緊急停止、または停電が発生した場合、モーターをブレーキすることはできません。動的ブレーキと電磁ブレーキは、動作中に電力を必要としません。

（2）再生ブレーキはシステムによって自動的に実行されますが、動的ブレーキと電磁ブレーキは外部リレー制御が必要です。

（3）電磁ブレーキは一般にSVOFF後に活性化されます。そうしないと、アンプの過負荷を引き起こす可能性があります。通常、ダイナミックブレーキは、SV、オフ、またはメイン回路の電源が切れた後に作動します。そうしないと、動的ブレーキ抵抗が過熱する可能性があります。