ACサーボモーターはどうやって制御するのですか？

基本原則ACサーボモーターコントロール

ACサーボシステムの構成と動作機構

ＡＣサーボシステムは、主にＡＣサーボモータ、サーボドライブ（アンプ）、フィードバック装置、およびモーションコントローラまたはＰＬＣから構成される閉ループモーションコントロールシステムである。サーボドライブは低電力コマンド信号を受信し、それを三相 PWM (パルス幅変調) 電圧に変換してモーターを駆動します。一般的なドライブのスイッチング周波数の範囲は 10 kHz ～ 20 kHz で、トルク リップルを最小限に抑えた微細な電流制御が可能です。エンコーダまたはレゾルバを備えたモータ ローターは、位置と速度のフィードバックをドライブに返し、内部制御ループがトルク、速度、位置をリアルタイム (通常は 62.5 μs ～ 250 μs の制御サイクル) で調整できるようにします。

トルク、速度、位置の関係

AC サーボ モーターでは、トルクは定格範囲内で電流にほぼ比例します: T ≈ Kt × I。ここで、Kt はトルク定数 (例: 0.7 N・m/A)、I は相電流です。速度は、印加電圧の周波数と極対の数によって決まります。たとえば、4 極モーターで定格速度が 3,000 rpm の場合、定格速度での電気周波数は 100 Hz です。位置は速度の時間積分です。したがって、正確な制御は、正確な電流制御 (トルク用) と、速度と位置の正確な時間ベースの調整に依存します。この階層的な関係が、サーボ ドライブが通常、電流 (トルク)、速度、位置という 3 つの入れ子のループを実装する理由です。

ACサーボシステムの主要コンポーネント

ACサーボモータの構造とパラメータ

AC サーボ モーター自体は、動的性能が最適化された永久磁石同期モーター (PMSM) です。主なパラメータには、定格電力 (多くの産業用軸では通常 0.1 kW ～ 7.5 kW)、定格トルク、ピーク トルク (多くの場合定格の 2.5 ～ 3.0 倍)、定格速度 (1,500 ～ 3,000 rpm)、および最大速度 (通常 4,500 ～ 6,000 rpm) が含まれます。 kg・m2 で表されるローター慣性は、負荷慣性比と一致する必要があります。安定した高ゲイン制御には、ドライブと負荷の慣性比を 1:1 ～ 1:5 にすることが推奨されることがよくあります。固定子巻線は効率的なベクトル制御用に設計されており、フィールド指向の電流調整をサポートします。

サーボドライブの機能とインターフェース

サーボドライブは制御の中核です。これには、整流段、DC バス (通常、220 ～ 400 VAC 入力の場合は 300 ～ 600 VDC)、IGBT または MOSFET モジュールを備えたインバータ段が含まれます。機能ブロックには、電流制御、速度および位置コントローラ、エンコーダ インターフェイス、デジタルおよびアナログ I/O、フィールドバス通信ポート、および安全回路 (安全トルク オフなど) が含まれます。インターフェイスには、パルス/方向入力、速度またはトルク コマンド用のアナログ +/-10 V、および EtherCAT、PROFINET、または CANopen などの産業用バスが含まれる場合があります。ホールセールおよびファクトリーオートメーションプロジェクトでは、ドライブ通信プロトコルの選択は既存の PLC またはモーションコントローラープラットフォームと一致する必要があるため、サプライヤーの調整が重要です。

制御モード: 位置、速度、トルク

位置制御モードの特性

位置制御モードは、CNC 軸やピック アンド プレース ロボットなど、正確な位置決めが主な目的の場合に使用されます。コントローラーは通常、コマンド パルスを送信します。1 つのパルスは 1 つのエンコーダー カウントまたは定義された電子ギア比に相当します。たとえば、20 ビット エンコーダ (1 回転あたり 1,048,576 カウント) と 1 回転あたり 1,000 パルスの電子ギアの場合、1 パルスはシャフト回転の 0.36 度に相当します。サーボドライブは位置ループを閉じて、指令された位置と実際の位置の間の位置誤差を最小限に抑えます。一般的な位置決め精度はエンコーダ数 ±1 に達し、これは 0.0004 回転を超える角度精度に相当します。

速度およびトルク制御アプリケーション

速度制御モードは、アナログまたはデジタルコマンドに従ってモーター速度を調整します。これは、一定の速度が重要な巻き取り、搬送、またはポンピングでよく見られます。 80 ～ 200 Hz の速度ループ帯域幅により、負荷変動に迅速に応答でき、20 ～ 30% の負荷ステップ変化があっても速度を ±0.1% 以内に維持できます。トルク制御モードは、電流フィードバックに基づいて出力トルクを調整し、張力制御、プレス、締め付け作業に適しています。設定トルクは通常、定格トルクの 0% ～ 150% の範囲で調整でき、トルク応答時間は 1 ～ 5 ms の範囲です。多くのドライブでは、位置、速度、およびトルク モードを組み合わせたり、動的に切り替えたりして、複雑な動作プロファイルに対応できます。

フィードバックデバイスと閉ループ制御ロジック

エンコーダー、リゾルバー、フィードバック解像度

フィードバック デバイスは、閉ループ制御に不可欠な情報を提供します。インクリメンタル エンコーダは A/B/Z パルスを出力しますが、アブソリュート エンコーダは原点復帰を必要とせずに複数回転の位置情報を提供します。最新のアブソリュート エンコーダの分解能は 17 ～ 23 ビットであることが多く、これは 1 回転あたり 131,072 ～ 800 万カウント以上に相当します。レゾルバは、温度と振動に対する優れた堅牢性を備えていますが、実効分解能が低く、ドライブ内で専用のレゾルバからデジタルへの変換が必要です。フィードバックの選択は、精度、環境への堅牢性、およびコストの間のバランスであり、コンポーネントの標準化により在庫が削減される数百のサーボ軸を含む大規模な卸売プロジェクトでは重要になります。

ネストされた制御ループと制御サイクルタイム

サーボ ドライブは通常、3 つのネストされたレギュレータ ループを実行します。最も内側の電流ループは、フィールド指向制御 (FOC) を使用して d 軸電流と q 軸電流を独立して調整し、非常に速いサイクル タイム (多くの場合 10 ～ 50 μs) で相電流を補償します。 0.5 ～ 2 kHz で動作する速度ループは速度誤差に基づいて電流コマンドを生成し、0.5 ～ 1 kHz で動作する位置ループは位置誤差から速度コマンドを生成します。安定性とパフォーマンスは、適切なループ ゲインと位相余裕に依存します。一般的な設計目標は、30 ～ 60 度の位相余裕と 6 dB を超えるゲイン余裕です。これらの数値目標により、オーバーシュートを低く抑え、持続的な発振を回避しながら、システムが迅速に応答することが保証されます。

サーボドライブパラメータの設定と調整

モーターのデータ、制限、および保護設定

サーボ軸が安全に動作するには、主要なモーターとドライブのパラメータを設定する必要があります。これらには、モーターの定格電流、定格速度、極対、エンコーダーの分解能、および慣性データが含まれます。通常、トルク制限は定格トルクの 120% ～ 200% に設定され、減磁や過熱を防ぐために電流制限がこれらの値に一致します。速度制限は機械的定格を考慮する必要があります。定格 3,000 rpm、最大速度 5,000 rpm のモーターの場合、安全限界値 4,500 rpm が余裕を与えます。特に予期せぬ緊急停止や電力変動が頻繁に発生する工場ラインでは、損傷を防ぐために、過電圧、不足電圧、過熱、および速度超過のしきい値を設定する必要があります。

基本的なゲイン設定と応答目標

通常、初期パラメータ化は自動チューニングから始まり、ドライブがテスト信号を注入して負荷慣性と摩擦を特定し、推奨される制御ゲインを計算します。多くの軸では、位置ループ帯域幅は 20 ～ 60 Hz、速度ループ帯域幅は約 100 ～ 200 Hz で十分です。これらの値は、10% 未満のオーバーシュートで 50 ～ 150 ms の位置決め整定時間を提供します。半導体装置などの高精度アプリケーションの場合、帯域幅はさらに拡大される可能性がありますが、その代償として機械的共振や位置ずれに対する耐性が低くなります。信頼できるサプライヤーは、ドライブマニュアルだけでなく、大規模システムで複数の軸を試運転する際に特に役立つ調整ガイドラインやサンプルパラメータセットも提供します。

PID制御とゲインチューニング方法

サーボPIDコントローラの構造

サーボ ドライブの主な制御ループは、通常、PID または PI コントローラーとして実装されます。電流ループは通常、定常誤差がゼロであることを保証するために PI (比例積分) ですが、速度および位置ループには微分項またはフィルターが含まれる場合があります。速度ループでは、比例ゲインによって速度誤差がどの程度積極的に補正されるかが決まり、積分項によって長期誤差が排除され、微分動作によって突然の変化が抑制されます。一般的な比例ゲインはステップ コマンドで約 5 ～ 15% のオーバーシュートを達成するように調整され、積分時定数は定常状態誤差が数百ミリ秒以内に 1% 未満に低下するように設定されます。

実際のチューニング手順と数値チェック

実際のチューニング手順は、低いゲインから始まります。まず、指令されたトルクが発振のない滑らかな加速を生成することを確認することにより、電流ループが検証されます。次に、0 ～ 100% の速度ステップ (たとえば、0 ～ 1,500 rpm) で、オーバーシュートが最小限に抑えられた約 50 ～ 100 ms の立ち上がり時間が生成されるまで、速度ループ ゲインが増加します。最後に、360 度の回転や 100 mm の直線移動などのポイント間の移動を監視しながら、位置ループ ゲインを増加させ、整定時間が必要な目標 (100 ms など) を下回っており、位置誤差が 0.01 mm または 0.01 度未満であることを確認します。機械的共振が観察された場合は、測定された共振周波数 (多くの場合 100 ～ 1,000 Hz) を中心とするノッチ フィルターを、共振周波数の 10 ～ 20% の帯域幅で適用できます。

PLCやモーションコントローラによるモーション制御

コマンドインターフェースと通信プロトコル

モーション コマンドは、PLC、モーション コントローラー、または産業用 PC から送信されます。従来のシステムでは位置制御にパルス/方向出力を使用することが多く、最大 500 kHz のパルス周波数により、適度な電子ギアを使用しても高分解能が得られます。最新のシステムは、250 μs 以下のサイクル タイムで複数の軸を同期できる EtherCAT などのデジタル フィールドバスへの依存度が高まっています。これにより、電子カムや複数のサーボ軸にわたる補間などの調整されたモーション プロファイルが可能になります。通信規格が一致しないと工場レベルでの統合コストが大幅に増加する可能性があるため、ドライブやコントローラーを大量に調達する際には、互換性のあるプロトコルを選択することが不可欠です。

位置決めプロファイルと動作計画

コントローラーは、加速度、一定速度、減速度の観点から動作プロファイルを定義します。単純な台形速度プロファイルでは、200 mm の移動に対して、加速度 500 mm/s²、最大速度 300 mm/s、減速度 500 mm/s² を指定できます。より高度な S カーブ プロファイルによりジャーク (加速度の変化率) が制限され、特に高慣性負荷における振動が軽減されます。位置決めサイクルでは、モーターのトルクと機械的強度の両方を考慮する必要があります。加速度がモーターの定格トルクで達成できる速度を超える場合は、移動時間を長くするか、より高トルクのモーターを使用する必要があります。位置決めサイクルの数値シミュレーションは、設置前に適切なサーボ サイズを選択するのに役立ちます。

位置決め精度、応答時間、安定性

精度と再現性に影響を与える要因

位置決め精度はエンコーダだけで決まるわけではありません。エンコーダの理論上の分解能は 1 回転あたり 1,000,000 カウントですが、実際の精度は機械的なバックラッシュ、シャフトの剛性、カップリングの剛性、熱膨張によって決まります。 5 mm リードと 20 ビット エンコーダを備えたボールねじシステムの場合、1 カウントは約 4.77 nm に相当し、実際の機械精度を大幅に下回ります。実際には、適切に設計された工業用軸の現実的な目標は、±0.01 ～ 0.02 mm の全体的な位置決め精度と ±0.005 mm 以内の再現性です。補正テーブルなどの校正手順により、ネジのピッチの変動や取り付け公差によって生じる系統的な位置決め誤差を修正できます。

動的応答と振動制御

動的パフォーマンスは通常、ステップ応答、周波数応答、および動作プロファイルでの追従誤差によって特徴付けられます。適切に調整された軸は、振幅の 1% 未満の追従誤差で 5 ～ 10 Hz の正弦波位置コマンドを追跡できます。これを達成するには、機械的共振周波数が必要な帯域幅より少なくとも 3 ～ 5 倍高くなければなりません。構造の強化、短いオーバーハング、より硬い結合はすべて、より高い共振周波数に貢献します。ドライブでは、ノッチ フィルターとローパス フィルターを使用して、制御帯域幅を維持しながら共振ピークを抑制します。工場環境で高速サイクルを実装する場合、単純な加速度計で振動を測定し、フィルター周波数を 10 ～ 20 Hz 単位で調整すると、安定性が大幅に向上します。

一般的な障害、アラーム、トラブルシューティングのアイデア

典型的なアラームの種類と根本原因

標準のサーボ ドライブ アラームには、過電流、過電圧、不足電圧、エンコーダ エラー、速度超過、および追従エラーが含まれます。過電流アラームは、多くの場合、機械的な妨害や突然の衝撃負荷により、瞬間電流が定格電流の 300% を超えると発生します。過電圧は通常、回生制動エネルギーによって DC バスがそのしきい値 (通常は 220 VAC システムの場合は約 410 VDC、または 400 VAC システムの場合は 820 VDC) を超えると発生します。次のエラー アラームは、位置偏差が設定されたしきい値 (1,000 エンコーダ カウントなど) を超えると発生します。これは、トルク不足、過度の加速、または誤って調整された制御ゲインによって引き起こされる可能性があります。効果的な工場は、生産ライン全体で繰り返されるパターンを検出するためにアラーム履歴ログを維持しています。

段階的な診断および修正方法

トラブルシューティングは、問題が電気的、機械的、またはパラメータ関連のどれであるかを切り分けることから始まります。測定されたモーター相抵抗は銘板の値と数パーセント以内で一致するはずです。大きな偏差は巻線の損傷を示します。機械的には、軸は手動または低速ジョグ速度で異常な騒音なく自由に動く必要があります。パラメーター チェックには、エンコーダーの分解能、電子ギア、モーター定数、および制限が実際のハードウェアと一致していることの検証が含まれます。オシロスコープまたはドライブ トレース ツールは、障害時の電流、速度、位置エラーを記録できます。たとえば、一定の負荷の下で位置誤差が徐々に増加する場合、トルク制限または電流容量が不十分である可能性があります。固定周波数で発振が発生する場合は、共振とフィルターの調整が必要です。技術的に有能なサプライヤーは、リモート診断サポートやパラメーター レビューを提供することが多く、これは大規模な自動化プロジェクトでは特に価値があります。

設置、配線、日常のメンテナンス

電気配線規格と EMC に関する考慮事項

正しい配線は安定したサーボ制御の基本です。電源ケーブルとエンコーダまたは通信ケーブルは、最小 100 ～ 150 mm の間隔で別々に配線する必要があり、シールド ケーブルはノイズを低減するために一端で接地するか、ドライブの推奨事項に従って接地する必要があります。保護接地接続は低インピーダンスである必要があり、産業用設備では接地抵抗は通常 10 Ω 未満です。 30 ～ 50 m を超える長いケーブルの場合、電圧降下とノイズの影響を受けやすくなるため、より大きな導体断面積とフェライト コアが必要になる場合があります。工場配線キットの卸売注文では、終端処理されたコネクタを備えた標準化されたケーブル セットを使用することで、取り付けエラーと試運転時間を大幅に削減できます。

機械設備の設置と定期点検

機械側では、モーターシャフトと負荷の間の同軸の位置合わせを慎重にチェックする必要があります。半径方向に 0.05 mm または角度方向に 0.2 度を超えるずれがあると、ベアリングに余分な負荷がかかり、振動が増大し、耐用年数が短くなる可能性があります。フレキシブルカップリングは小さなミスアライメントを補正できますが、トルク定格と慣性モーメントに基づいて選択する必要があります。定期的なメンテナンスには、冷却面の清掃、ボルトの緩みのチェック、ケーブル ジャケットの摩耗の検査、アラーム履歴の確認などが含まれます。熱測定により、モーターの表面温度が定格制限内 (連続動作の場合は通常 80 ～ 90°C 未満) 内に留まっていることを確認する必要があります。これらの実践により、装置の寿命が延び、連続稼働工場における計画外のダウンタイムが最小限に抑えられます。

マックステックはソリューションを提供します

Maxtech は、コンポーネントの選択から試運転サポートに至るまで、産業ユーザー向けの完全な AC サーボ システム ソリューションに重点を置いています。 Maxtech のエンジニアは、トルク、速度、慣性、および位置決めの要件に基づいて、適切なフィールドバス ネットワークを使用した PLC またはモーション コントローラーとの統合を含む、適合するモーター、ドライブ、およびフィードバック デバイスを推奨します。多くの軸を含む卸売および工場プロジェクトの場合、Maxtech はモデルとアクセサリを標準化して在庫を削減し、メンテナンスを簡素化します。各サーボ軸が最適な帯域幅と最小限の振動で安定した動作に達するように、パラメータ テンプレート、チューニング サービス、および診断ガイダンスが提供されます。 Maxtech は、体系的な計画と継続的な技術サポートを通じて、お客様が生産ライン全体でより高い生産性と安定したモーション パフォーマンスを達成できるよう支援します。