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「回生」）。

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) ハイブリッドの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。