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。