ステージ、ドライブ、エンコーダの設計。

高精度位置決めシステムを構成するコンポーネント（ベアリング、位置測定システム、モーターおよび駆動システム、コントローラ）は、可能な限りスムーズに連携して動作する必要があります。パート1ではシステムベースとベアリングについて説明しました。パート2では位置測定について説明しました。今回は、ステージ、駆動装置、エンコーダの設計、駆動アンプ、そしてコントローラについて説明します。

リニア エンコーダを使用する場合、リニア ステージを組み立てる際に一般的に使用される 3 つの方法は次のとおりです。
• ドライブとエンコーダは、スライドの重心内または可能な限り重心の近くに配置されます。
• ドライブは質量の中心に配置され、エンコーダは片側に取り付けられます。
• ドライブは片側にあり、エンコーダーは反対側にあります。

理想的なシステムは、駆動部をスライドの中心に、エンコーダをスライドの中心に配置することです。しかし、これは通常現実的ではありません。一般的な妥協案として、駆動部をわずかに片側にずらし、エンコーダを反対側にわずかにずらして配置します。これにより、モーションフィードバックを駆動システムの隣に配置した、中央駆動に近い構成が得られます。中央駆動が推奨されるのは、駆動力がスライドに不要な力ベクトルを与えず、ねじれやコッキングを起こさないためです。ベアリングシステムがスライドをしっかりと固定するため、コッキングが発生すると摩擦、摩耗、荷重位置の不正確さが増加します。

別の方法としては、スライドの両側に1つずつ駆動装置を備えたガントリー型システムを使用する方法があります。この方法では、中央の駆動装置をエミュレートする駆動力が得られます。この方法では、位置フィードバックを中央に配置できます。これが不可能な場合は、両側にエンコーダを配置し、専用のガントリー駆動ソフトウェアを使用してテーブルを制御することもできます。

ドライブアンプ
サーボドライブアンプは、コントローラから通常±10Vdcの制御信号を受信し、モーターに動作電圧と電流を出力します。一般的に、パワーアンプにはリニアアンプとパルス幅変調（PWM）アンプの2種類があります。

リニアアンプは効率が低いため、主に低電力駆動に使用されます。リニアアンプの出力電力処理能力は、主に出力段の熱特性と出力トランジスタのブレークダウン特性によって制限されます。出力段の消費電力は、出力トランジスタにかかる電流と電圧の積で表されます。一方、PWMアンプは効率が高く、通常100W以上の電力容量に使用されます。これらのアンプは、最大50MHzの周波数で出力電圧をスイッチングします。出力電圧の平均値はコマンド電圧に比例します。このタイプの利点は、電圧のオン/オフを切り替えることで消費電力を大幅に増加できることです。

アンプのタイプを選択したら、次のステップは、アンプがアプリケーションの最大モーター回転速度（またはリニアモーターの場合は線速度）に必要なレベルで必要な連続電流と出力電圧を提供できることを確認することです。

ブラシレスリニアモーターの場合、アンプを区別する別の方法があります。一般的に使用されているモーター整流には、台形整流と正弦波整流の2種類があります。台形整流は、3相それぞれの電流をオンまたはオフに切り替えるデジタルタイプの整流です。通常、モーターに埋め込まれたホール効果センサーがこの動作を行います。センサーは外部磁石によって作動します。しかし、ホール効果センサー、コイル巻線、磁石の関係は重要であり、常に小さな位置許容誤差を伴います。そのため、センサーの応答タイミングは、実際のコイルと磁石の位置からわずかに位相がずれた状態になります。これにより、コイルへの電流の印加にわずかな変動が生じ、避けられない振動が発生します。

台形整流は、非常に高精度なスキャンや一定速度のアプリケーションには適していません。しかし、正弦波整流よりもコストが低いため、高速のポイントツーポイントシステムや、動きの滑らかさが処理に影響を与えないシステムで広く使用されています。

正弦波整流では、オン/オフのスイッチングは発生しません。代わりに、電子スイッチングによって、三相間の360度電流位相シフトが正弦波パターンで変調されます。これにより、モーターから滑らかで一定の力が出力されます。そのため、正弦波整流は、精密な輪郭を描く場合や、スキャンやビジョン用途など、正確な一定速度が求められる用途に適しています。

コントローラー
コントローラーには、ここで十分に説明しきれないほど多くのクラスがあります。基本的に、コントローラーはプログラミング言語と制御ロジックに応じていくつかのカテゴリに分類できます。

プログラマブルロジックコントローラ（PLC）は「ラダー」型のロジック方式を採用しています。主に複数の個別入出力（I/O）機能の制御に使用されますが、一部のPLCは限定的なモーション制御機能も備えています。

数値制御（NC）システムは、業界標準言語であるRS274Dまたはその派生言語を介してプログラムされます。多軸制御により、球面形状や螺旋形状などの複雑な動作を実行できます。

非NCシステムでは、基本的な動作プロファイル用の使いやすいインターフェースプログラムを含む、様々な独自オペレーティングシステムが採用されています。これらのコントローラの多くは、モニターやキーボードのない基本的なコントローラモジュールで構成されています。コントローラはRS-232ポートを介してホストと通信します。ホストは、パーソナルコンピュータ（PC）、ダムターミナル、またはハンドヘルド通信ユニットのいずれかです。

最新のコントローラはほぼすべてデジタルコントローラです。アナログコントローラでは考えられなかったレベルの信頼性と使いやすさを提供します。速度フィードバック情報は通常、軸位置信号から得られます。サーボパラメータはすべてソフトウェアで調整されるため、駆動アンプの「ポット」を面倒な調整に費やす必要はありません。ポットは使用後や温度変化によってドリフトする傾向があります。最新のコントローラのほとんどは、すべての軸サーボパラメータの自動調整機能も備えています。

より高度なコントローラには、分散処理とデジタル信号プロセッサ（DSP）による軸制御も搭載されています。DSPは、本質的には、数学的計算を非常に高速（マイクロプロセッサの10倍以上）に実行するために特別に設計されたプロセッサです。これにより、サーボのサンプルタイムは125ミリ秒程度になります。その利点は、軸を正確に制御し、等速度制御と滑らかな輪郭制御を実現できることです。

PID（比例・積分・微分）フィルタアルゴリズムと速度・加速度フィードフォワードにより、軸のサーボ制御が強化されます。さらに、加減速プロファイルのS字カーブプログラミングにより、テーブル動作の開始・停止時に発生するジャーク（加速度）を抑制します。これにより、よりスムーズで制御性の高い動作が実現し、位置と速度の両方において整定時間が短縮されます。

コントローラには、豊富なデジタルまたはアナログ入出力機能も搭載されています。ユーザープログラムまたはサブルーチンは、位置、時間、ステータス情報、変数の値、数学演算、外部または内部のI/Oイベント、エラー割り込みなどに応じて変更できます。ユーザープロセスは簡単に自動化できます。

さらに、ほとんどのコントローラは電子逓倍によって位置フィードバックの分解能を高めることができます。4倍逓倍が一般的ですが、一部の高度なコントローラでは最大256倍まで逓倍できます。これにより精度は向上しませんが、軸の位置安定性と、多くの用途においてより重要な繰り返し精度が向上します。

全体的なアプローチにおいては、上記の要因に加えて、予算、環境、平均寿命、メンテナンスの容易さ、MTBF、エンドユーザーの嗜好など、コンポーネントの選定に影響を与える可能性のある他の要因も考慮する必要があります。モジュール型アプローチでは、システムを基盤から分析し、コンポーネント全体の互換性を検証することで、標準的で入手しやすいコンポーネントからシステムを組み立てることができます。これらのコンポーネントは、最も厳しいアプリケーション要件にも対応できます。