ステッピングまたはサーボモーターのアプリケーションに最適な電源の選択

モーション コントロール アプリケーションには、ほとんどのアプリケーションと比較して、いくつかの固有の要件があります。 2 つは特にユニークです。1) ピーク電力需要が一般に平均需要と比較して非常に高く、2) モーターは負荷としてではなく発電機として機能することが多く、電流を電源から引き出すのではなく、電源にポンプで送り込むことがよくあります。それ（回生エネルギーまたは「再生」）。

ステッピングまたはサーボ モーターのアプリケーションに DC 電源が必要な場合は、次の 3 つのタイプから選択できます。1) 未調整のバルク リニア電源。 2) 安定化 PWM スイッチング モード電源 (SMPS または PWM スイッチャー)。 または 3) ハイブリッド、調整された共振モード電源。

この記事では、モーション コントロールに特有の技術的考慮事項について説明し、3 種類の電源を比較します。

電源を選択するときは、モーション コントロール アプリケーション固有の要求を考慮することが重要です。 加速中、モータードライブは急速に大量の電力を消費する可能性があります。 さらに、モーターは減速中に回生を生成し、電流を電源に押し戻すことができます (つまり、モーターは発電機として機能します)。これは、電源が結果として生じる電圧の増加に対処する必要があることを意味します。 非常に動的な動作アプリケーション (大きな慣性負荷、速い加速/減速、および高いピーク速度を伴うアプリケーション) では、電源に大量かつ急速な電流が要求されます。

最適な電源を選択する際には、モーション コントロールに特に関係するもの以外にも、考慮すべき重要な要素が数多くあります。 これらのいくつかは、製品のコストを最小限に抑え、さまざまな動作条件で信頼性の高い動作を提供したいと考えている OEM 機械設計者にとって特に重要です。

必要な電力 (ピークおよび平均):一般に、固定またはゆっくりと変化する速度とトルクで動作するポンピング アプリケーションは、平均 (連続) 電力にかなり近いピーク電力を使用します。 一方、高加速度での起動と停止が頻繁に行われるピックアンドプレース マシンのピーク電力は、平均電力需要よりもはるかに高くなります。 適切に設計されたシステムでは、すべての軸を組み合わせたピーク消費電力と平均消費電力を考慮する必要があります (通常、これは個々の軸の要件の単純な合計ではありません)。 重複する動作プロファイルを持つ軸を備えた多軸機械 (つまり、各軸が同時に加速する可能性がある) は、一度に 1 つの軸だけが動作する機械よりもはるかに多くのピーク電力を必要とする可能性があります。

DC出力電圧レベル:アプリケーションに必要な機械動力の総コストを最小限に抑え、100 ～ 750 ワットの範囲 (分数馬力) のモーターを使用していると仮定すると、DC 65 ～ 85 ボルト付近にスイート スポットがあります。 多くの人は 24 ボルト電源を使用したいと考えています。これは、電源が非常に見つけやすいため、またはアプリケーションで (センサーやその他のコンポーネント用に) すでに 24 ボルトが必要であるためです。 多くのモーターは 24 ボルトの電源で動作します。なぜ 24 ボルトを使用しないのでしょうか? 主な理由は、モーターに供給されるバス電圧を (ある程度まで) 増加させることが、より多くのモーター電力を得る最も低コストの方法であるためです。 任意の速度におけるモーターのシャフトからの機械的出力は、速度とトルクを掛けたものになります。 モーターの最大速度は、供給される電圧に直接関係します。 モーターから得られるトルクの量は、その巻線に流す電流に比例しますが、この電流も電源電圧によって制限されます。 したがって、特定のモーターから最大の電力 (速度 × トルク) を引き出す方法は、供給電圧を高めることです。 どの電圧でも、モーターのステーター コイルの銅線の巻き数が少ないほど、モーターはより速く回転します。 また、巻数が少なくなると、より太いゲージのワイヤを使用できるため、抵抗が低くなり、1 ボルトあたりの電流が増加します。

逆に、なぜ非常に高い電圧を使用しないのでしょうか? 1 ～ 2 馬力を超えるモーターの場合、高電圧を使用しないことは現実的ではありませんが、分数馬力モーターの場合、高電圧の使用はプロジェクトの複雑性を高め、コストを増加させる安全性と規制上の問題を数多くもたらします。 75 VDC 範囲の電源を使用する場合、最大 1 ～ 2 馬力のモーター出力を実現するために必要な電流は、上記の抵抗損失や銅充填の問題を心配するほど大きくありません。 また、75 VDC では、電気安全規制を満たすのが非常に簡単かつ安価です。 最適よりも低い電圧を使用しても必要な機械動力を得ることができるかもしれませんが、おそらくより大型で高価なモーターを使用する必要があります。

ロードレギュレーション/出力電圧剛性:電源の負荷が増加すると、電源の電圧出力はある程度低下します。 垂下量は、電源の種類、設計の品質、負荷の量によって異なります。 供給出力電圧が低下すると、利用可能な最大モーターシャフト出力が減少します。 モーター ドライブは電力コンバーターとして機能するため、モーター ドライブに必要な電力を供給するためにより多くの電流を消費するだけなので、ある程度のドループはドライブによって一時的に補償されます。 ただし、垂下によりモーターに供給される電圧が低下するため、モーターの最大出力も低下します。

電源の電圧降下が大きすぎると、モーターの位置と速度のエラーが発生する可能性があります。 ドループが十分に大きいと、ステッピング モーターのステップが失われ、過度の瞬間誤差によりサーボがシャットダウンする可能性があります。

ライン規制:世界中には幅広い公称 AC 電圧があります。 場所、時間帯、電力網の負荷によって異なります。 安定化電源は一般に、AC ライン電圧の妥当な変化を適切に処理します。通常、出力電圧の変化はほとんどありません。 しかし、バルクリニア電源などの非安定化電源の出力は、入力ライン電圧の変化に比例して変化します。 ターゲットのモーター速度に到達するために機械が最大の出力電圧を必要とし、最大のライン電圧でテストされている場合、機械が低ライン状態で動作すると、悪い驚きに見舞われる可能性があります。

ライン調整のないアプリケーションでは、高ライン AC 状態も問題になる可能性があります。 ほとんどのモーター ドライブは過電圧状態から自らを保護しますが、AC ラインが高いために安定化されていない電源の DC バス電圧が上昇すると、ドライブは過電圧制限に近づいて動作するようになります。 これにより、回生エネルギーに対する設計マージンが減少します。これは、回生エネルギーがモータードライブで見られる電圧を増加させるように作用するためです。

回生制御のサポート:すべての電気モーターは、運動の方向に逆らってトルクを生成するとき (たとえば、減速中)、逆電圧 (逆起電力) を生成します。 この回生によって電流が電源に戻され、バスの総電圧が増加します。 この逆電流に対処するにはさまざまな方法があります。

電源出力と並列に静電容量を追加して、この回生エネルギーを吸収し、後で電源から電力を引き出す必要があるときに再利用できるように蓄えるリザーバとして機能させることができます。 大きな出力コンデンサはスペースをとり、比較的高価で、他の電子部品に比べて寿命が比較的短くなります。 寿命の問題は、公称電源電圧よりも大幅に高い電圧定格を持つコンデンサを選択することで軽減できます。 軸またはマシンが大幅な回生を生成する場合は、負荷抵抗を介して電流を分流して過剰なエネルギーを焼き切る専用の回生回路を検討する必要がある場合があります。 また、関連する「ブロッキング ダイオード」を備えた別個の出力コンデンサや、関連する負荷「制動」抵抗を備えた回生制御回路を組み込むこともできます。 コンデンサは受動的に機能して、ある程度の回生エネルギーを吸収します (そして、必要に応じてエネルギーを戻します)。

これらの追加のコンポーネント (図 1) は、必要な配線とともに、費用と配線の複雑さを追加し、より多くのキャビネット スペースを占有します。 さらに、制動抵抗器は安全を脅かすほど高温になる可能性があり、ユーザーの怪我を防ぐための手順が必要になる場合があります。 出力コンデンサには、電源投入時に突入電流によって回路ブレーカーが作動するのを防ぐための追加回路や、電源切断時に蓄積されたエネルギーをダンプする回路が必要になる場合があります。

サイズ/設置面積:ほとんどの機械製造業者にとって、サイズやフォーム ファクタは重要であり、モーション コントロール電源は、多くの場合、電気キャビネット内にある最大のコンポーネントの 1 つです。 電子キャビネットまたはエンクロージャ (特に過酷な環境向けに設計されている場合) は高価であるため、供給品が少なく、コンポーネントが少ないほど、スペース要件とコストが削減されます。

突入電流保護:突入電流は、最初に電源が投入されたときにコンポーネントが消費する初期の瞬間電流です。 充電されていないコンデンサは、充電を開始すると大量の電流を消費します。 DC 電源の突入電流は、定常状態の入力電流よりも何倍も大きくなることがあります。 突入電流制限回路がないと、電源投入時に適切なサイズの回路ブレーカーがトリップしたり、ヒューズが切れたりする可能性があります。

料金： OEM 機械製造会社は、機械の量が増加するにつれてコストが重要になるため、特にコストに敏感になることがあります。 付属の電気部品 (外部回生制御回路、ブロッキング ダイオード、制動抵抗器、追加のコンデンサなど) の統合に関連するコストと労力を考慮することが重要です。

非安定化リニア電源– 最もシンプルな電源の 1 つであるバルク リニア非安定化電源には、次の 3 つの主要コンポーネントがあります。

変圧器: 一次変圧器は、入力 AC ライン電圧を代替 AC 電圧 (通常は最終的な必要な DC 電圧レベル) に変換します。 多くのスペースを占有し、鋼板と銅の巻線は重いです。

全波ブリッジ整流器: ブリッジ整流器は、変圧器の AC 出力電圧の負の半サイクルを正の電圧に変換するダイオードのアレイ (通常は 1 つのパッケージ内) です。 整流器の出力は入力 AC の 2 倍の周波数を持ちますが、極性は正のみです。

コンデンサ: コンデンサはエネルギーを蓄えるので、AC 入力の電圧が低い段階で電源から電流を引き出しても、出力電圧が過度に低下することはありません。

バルクリニア電源には多くの利点があります。 シンプルで電気的に静かで、すぐに利用できる電流源を提供します。 欠点としては、AC 入力電圧が比較的長い間 DC 出力電圧を大幅に下回るため、ほとんどの設計よりも電圧リップルが大きくなることが挙げられます。 電圧が下がりすぎると、ステッピング モーターやサーボ モーターが必要な速度で回転するのに十分な電圧が得られなくなります。

これらの電源は比較的大きくて重いため、コンパクトなマシンに取り付けるのが難しくなります。 すべてのバルクリニア電源が回生の処理に適しているわけではありません。 モーターから返されたエネルギーは出力コンデンサを充電し、DC 出力電圧を増加させます。

バルクリニア非安定化電源 (図 2) は通常、「ベアボーン」デバイスであり、診断用 LED や電源切断時の蓄積エネルギーの放電など、他の電源に見られるさまざまな便利な機能がありません。 また、ほとんどのバルクリニア電源は密閉されていないため、アプリケーションでユーザーの衝撃保護や回路の機械的保護が重要な場合は、何らかのエンクロージャを製造する必要があります。

安定化スイッチモード電源 – 安定化スイッチング電源 (図 3) には、負荷に関係なく出力電圧を指定されたレベルに維持するように設計された制御電子機器が含まれています。 スイッチャーにはアクティブ回路が組み込まれており、安定化されていないバルクリニアのスイッチャーよりも複雑です。 スイッチャーは、「パルス幅変調」(PWM) と呼ばれる技術とフィードバックを使用して、DC 出力電圧をアクティブに調整します。

スイッチング電源の利点は、出力電圧を調整するアクティブ回路を備えているため、負荷に関係なくほぼ一定の電圧を生成することです。 指定された電流範囲内で使用する限り、負荷がかかっても大きな電圧低下は見られません。 これにより、規制されていない電源に比べて顕著なパフォーマンス上の利点が得られます。

スイッチャーは、非安定化電源に比べて体積が小さく、軽量です。 トランスは大幅に小型化され、出力容量も大幅に低くなります。 ほとんどのスイッチング電源は、ライン周波数 50 ～ 60 Hz の広範囲の AC 入力電圧 (通常は 100 ～ 240 VAC) を直接受け入れます。 適切に指定されたスイッチャーでは、通常、電源がオンになったときに回路ブレーカーが作動することはありません。 ほとんどのスイッチャーには、何らかの形式の過負荷保護機能もあります。 負荷の要求が大きすぎる場合は自動的にシャットダウンし、最初に AC 入力電源をサイクルするまで DC 出力電源を供給しません。

スイッチング電源にはいくつかの欠点があります。 スイッチャには通常、ピーク容量がほとんどありません。 モーションアプリケーションでは、負荷の加速中にピーク電力が必要です。 これには通常、スイッチング電源がピーク電力を供給できる時間よりもはるかに長い時間がかかります。 スイッチャーの出力レギュレーションと比較すると、レギュレートされていないバルクリニア電源の電圧垂下は通常、欠点であると考えられます。 ただし、短時間であれば大幅に多くの電力を引き出すことができます (移動プロファイルの加速部分に適しています)。

すべての電気モーターは、動作方向に逆符号のトルクを伝達すると回生エネルギーを生成します。 モーターはこのエネルギーを電源の DC 電圧出力に戻し、電圧を高めます。 スイッチング電源には、このエネルギーを吸収および/または放散するための十分な出力容量または別個の再生回路がありません。

したがって、PWM スイッチング電源にはモーションアプリケーションでの使用には多くの欠点がありますが、特にピーク需要が多いアプリケーション (例: マルチパルスなど) とは対照的に、より連続的な負荷がかかるアプリケーション (例: ポンプやミキサー) では成功する可能性があります。モーターの加速と減速が頻繁に行われる軸マシンなど）。

ステッピングモーターまたはサーボモーター制御用に設計されたハイブリッド電源 – 一般的なピーク負荷を処理するには、スイッチャーを大幅に大型化する必要があります。 また、スイッチャーが確実に動作するためには、ほとんどの場合、ユーザーが用意した追加の回路が必要です。

バルク リニア電源は、モーション アプリケーションに通常必要とされる高いピーク電力を (出力電圧低下はあるものの) 供給でき、通常は出力容量が大きいため、適度な量の回生容量を備えています。

RDFC 電源は、大きなピーク負荷を処理できるように設計できます。 RDFC では、スイッチング トランジスタは、「無電流」または「無電圧」状態にある場合にのみオンおよびオフになります。 より一般的な PWM スイッチャーでは、トランジスタはフルパワーでスイッチングするため、シリコン ダイは大量の熱を放散する必要があります。 このため、連続定格電力を超える電力を使用すると、トランジスタが急速に加熱されて損傷するレベルにまで達します。

共振モードスイッチャーでは、トランジスタが消費する電力がはるかに少ないため、このタイプの電源の熱制限はトランスの熱制限となります。 トランスは、トランジスタ内のシリコンよりもはるかに大きな熱質量を持っているため、はるかに高いピーク負荷とより長い持続時間のピークを吸収できます。

適切な量​​の出力容量を備えた共振モード スイッチャーと再生コントローラーを組み合わせると、モーション コントロール アプリケーションに最適なハイブリッド電源が得られます。 このハイブリッド設計 (図 4) は、PWM スイッチング電源のすべての利点とバルク リニア電源の利点を組み合わせています。

この設計により、アプリケーションはシャットダウンを引き起こすことなく定格ピーク電流を大幅に上回る電流を引き出すこともできます。 ピーク電流定格を超えると、ある程度の電圧降下が発生しますが、低速で高トルクが要求される瞬間により多くの電流を得ることができるのであれば、電圧降下は許容できます。

モーション コントロール アプリケーションにおけるさまざまな種類の電源とその長所/短所についてよく理解できたと思います。 未調整のバルクリニア電源と調整されたスイッチモード電源はどちらも一般的ですが、モーション制御アプリケーションにはいくつかの欠点があります。

ハイブリッド共振モード アーキテクチャは、他の電源の最良の機能を組み合わせており、サーボ ドライブやステッピング モーター ドライブに DC 電力を供給するのに理想的です。

この記事は、Teknic (ニューヨーク州ビクター) のディレクターである Abe Amirana によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine 2020 年 12 月号に初めて掲載されました。

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