閉ループステッパー制御の形式

2017 - 最も人気のある記事 - 最高のパフォーマンスを実現するために、ステッピング モーターを 2 相ブラシレス サーボ モーターとして扱うことができます。 モーターへの電流は、標準的なサーボモーターと同様に、エラー信号の関数として制御されます。

寄稿者 | ガリルモーションコントロール株式会社

ステッピング モーターは、安価で操作が簡単で、低速で高トルクが得られるため、エンジニアリング範囲全体のさまざまな用途に使用されています。 しかし、ステッピング モーターには、ステップのミス、高速でのトルクの低下、共振、消費電力の高さなどの欠点があります。 これらの問題を軽減するために、Galil はステッピング モーターの周囲のループを閉じる 3 つの方法を備えています。それは、終点補正、閉ループ マイクロステッピング、およびステッピング モーターを 2 相ブラシレス モーターとして駆動することです。

ステッピング モーターには、歯車状のローターの周囲に配置された複数の「歯付き」電磁石があります。 モーター シャフトを回転させるために、これらの電磁石は特定のシーケンスで通電されます。 図 1 は、2 相ステッピング モーターのこのプロセスの簡略図を示しています。 それぞれの特定のシーケンスはモーターの 1 つのステップに対応します。 ステッピング モーターは通常、1 回転あたり 200 ステップを持ちます。

ステッピングモーターにはいくつかの欠点がないわけではありません。 ステッピング モーターの最初の欠点は、常に最大電流で動作することです。 これはエネルギーの無駄遣いと過剰な発熱につながります。 次に、ステッピング モーターの動作の基本は、ステッピング モーターの位置が個別のステップで変化するときに発生する振動です。 ステップ周波数がステッピング モーターの固有振動または共振周波数と一致すると、これらの振動の振幅が増加し、位置の損失につながります。 ステッピング モーターでは、モーターの速度が増加するにつれてトルクも大幅に低下します。 一般的な速度とトルクの曲線は、「エラー: 参照ソースが見つかりません」に示されています。 最後に、位置分解能は 1 回転あたりのステップ数によって制限されます。 解像度を上げる必要がある場合は、マイクロステッピングのプロセスを通じてステッパーを駆動できます。

マイクロステッピングは、モーターの全ステップがマイクロステップと呼ばれるより小さな増分に分割されるようにステッピング モーターを駆動する方法です。 マイクロステップでは通常、フル ステップあたり 2 ～ 256 マイクロステップが作成されます。これは、1 回転あたり 200 ステップのモータが 1 回転あたり最大 51200 のマイクロステップを持つことができることを意味します。 図 3 は、フル ステップあたりのマイクロステップ数を増加させながら、ステッピング モーターの各相を流れる電流波形を詳しく示しています。

マイクロステッピングの実際の精度は、外力に大きく依存します。 マイクロステッピングはモーターのフル ステップ以内で正確ですが、半ステップを超える誤差が存在すると、位置の損失が発生します。 摩擦、重力、またはその他の力が、2 つのマイクロステッピング位置間の電流のわずかな変化がモーターの位置に影響を与えるのを防ぐのに十分な大きさである場合、モーションは発生しません。 図 4 は、エンコーダと結合されたステッピング モーターによって駆動されるシステムで実行されるポイントツーポイント移動のプロットを示しています。 赤い線はステッピング モーターの予想位置、紫の線はモーターに出力されるステップ パルス、青の線はエンコーダーによって測定されたモーターの位置です。 黒い線は、コントローラーがモーションのプロファイリングをアクティブに行っているときを示します。 システム内の摩擦により、ステッピング モーターの最終位置が指令された位置と一致せず、定常状態エラーが発生します。

エンコーダのフィードバックを利用してこの位置誤差を認識することにより、追加のステップ パルスを命令してモーターを正しい位置にすることで終点を調整できます。 Galil では、これをステッパー位置メンテナンス モード (SPM) と呼んでいます。 SPM は引き続きステッパーをマイクロステッピング モードで動作させますが、エンドポイントの精度を検証して調整できるようになりました。 このモードは、ステッピング モーターの指令された位置と、移動が完了する直前にエンコーダーから出力された実際の位置を比較することによって機能します。 図 5 は、図 4 と同じシステムがステッパー位置維持モードで動作していることを示しています。 移動の終了後、位置誤差が認識され、この誤差を考慮して基準位置が調整されます。 次に、ステッパーを正しい位置に移動するためにエラー修正移動が命令されます。 エンコーダを追加することにより、コントローラはシステム内に存在するエラーを認識して修正できるようになりました。 以前は摩擦による定常状態誤差を引き起こしていた同じ動きを考慮して修正できるようになりました。

SPM モードは、エンドポイントの精度だけが問題となるアプリケーションを対象としています。 エラーを継続的に修正する必要がある場合、Galil はクローズド ループ マイクロステッピング (CLS) モードを提供します。 図 6 は、現在 CLS モードで駆動されているステッパー システムを示しています。 基準位置とエンコーダ位置に加えて、エラー信号 (緑色の線) がコントローラの内部で生成され、ステッピング モーターの位置を継続的に調整するために使用されます。 CLS モードでは、モーションはエンコーダーの位置に基づいてプロファイリングされますが、ステッピング モーターを駆動するためにコントローラーによってステップ パルスが生成されることに注意することが重要です。

生成されたエラー信号は Galil の CLS フィルターを介して供給され、ステッパーへのステップ パルス出力を調整することでシステム内に存在するエラーを補償します。 閉ループ マイクロステッピングは真の閉ループ動作モードであり、ステッピング モーターとして引き続き駆動されるステッピング モーターを最適に使用します。 閉ループ動作には、ループが正しく調整されていない場合に不安定になるリスクが伴うため、安定性を実現するには注意が必要です。 さらに、このモードは依然として電力効率が低く、従来のサーボ システムと比較すると帯域幅が低くなります。 低電流ループ帯域幅と非線形特性を持つ外部サードパーティ製ステッピング ドライブを使用すると、この低帯域幅をさらに低くすることができます。

最高のパフォーマンスを実現するために、ステッピング モーターを 2 相ブラシレス サーボ モーターとして扱うことができます。 モーターへの電流は、標準的なサーボモーターと同様に、エラー信号の関数として制御されます。 Galil は 2 フェーズ ブラシレス モード、または 2PB を指します。 図 7 は、このモードで駆動されるステッピング モーター システムの詳細を示しています。 ここでは、ステップ パルスではなく、トルク コマンド信号 (茶色の線) がコントローラーによって生成され、モーターの位置を制御するために 2PB モードで動作する Galil の内部アンプの 1 つに供給されます。 回。 2PB モードで駆動されるステッピング モーターは、減速ギアボックスに取り付けられた従来のサーボ モーターに似ています。 このモードは標準のサーボ モーターと同様に動作するため、ノッチ、ポール、フィードフォワード フィルターを含む、Galil の高度な PID フィルター機能の全範囲を利用できるようになります。 このようにステッピング モーターを駆動するには、瞬間的に必要な電流のみをモーターに適切に供給するために、アンプをより高性能にする必要があります。 これにより、ステッピング モーターの電力が効率的に動作し、発熱が大幅に減少します。

Galil の閉ループ ステッピング制御方法を活用することで、ステッピング モーターのさまざまな欠点を克服できます。 エンドポイントの位置はステッパー位置メンテナンスモードで不正確さを調整でき、位置は閉ループマイクロステッピングで動的に調整でき、最後にステッピングモーターを2相ブラシレスサーボとして扱うことができ、モーターの性能と効率をさらに向上させることができます。 。 閉ループ ステッパー動作のどのモードがお客様のアプリケーションに適しているかについてご質問がある場合は、アプリケーション エンジニアリング部門 (916) 626-0101 または電子メール [email protected] までお問い合わせください。

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