ステージ、ドライブ、エンコーダーの設計。

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、コントローラー) は、可能な限り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。ここでは、ステージ、ドライブ、エンコーダーの設計について説明します。ドライブアンプ。そしてコントローラー。

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一般的に使用される 3 つの方法:
• ドライブとエンコーダは、スライドの質量中心またはそれにできるだけ近い位置に配置されます。
• ドライブは重心に配置されています。エンコーダは片側に取り付けられています。
• ドライブは片側にあります。一方、エンコーダー。

理想的なシステムは、エンコーダを備えたスライドマスの中心にドライブがあるものです。ただし、これは通常は非現実的です。通常の妥協策は、ドライブを片側からわずかにずらして配置することです。エンコーダーがもう一方からわずかにずれています。これにより、駆動システムの隣にモーション フィードバックがある中央駆動の適切な近似が得られます。駆動力によってねじれやコッキングを引き起こす不要な力ベクトルがスライドに導入されないため、中央ドライブが推奨されます。ベアリング システムはスライドをしっかりと拘束するため、コッキングにより摩擦、摩耗、荷重位置の不正確さが増大します。

別の方法では、スライドの両側に 1 つずつ、2 つのドライブを備えたガントリー スタイルのシステムを使用します。結果として生じる駆動力は、中央ドライブをエミュレートします。この方法を使用すると、位置フィードバックを中央に配置することができます。これが不可能な場合は、両側にエンコーダを配置し、特別なガントリー ドライブ ソフトウェアを使用してテーブルを制御できます。

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 ±10 Vdc の制御信号を受信し、動作電圧と電流出力をモータに提供します。一般に、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 つのタイプがあります。

リニアアンプは非効率であるため、主に低電力ドライブで使用されます。リニアアンプの出力電力処理能力に対する主な制限は、出力段の熱特性と出力トランジスタの降伏特性です。出力段の電力損失は、出力トランジスタの電流と電圧の積です。対照的に、PWM アンプは効率が良く、通常 100 W を超える電力容量に使用されます。これらのアンプは、最大 50 MHz の周波数で出力電圧を切り替えます。出力電圧の平均値は指令電圧に比例します。このタイプの利点は、電圧がオンとオフに切り替わり、消費電力が大幅に増加することです。

アンプのタイプを選択したら、次のステップは、アプリケーションの最大モータ回転速度 (リニア モータの場合は線速度) に必要なレベルで必要な連続電流と出力電圧をアンプが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、アンプを別の区別することができます。一般に、台形と正弦波の 2 種類のモーター整流が使用されます。台形整流は、3 つの各相の電流がオンまたはオフに切り替わるデジタル 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れを行います。外部磁石がセンサーを作動させます。ただし、ホール効果センサー、コイル巻線、磁石の間の関係は重要であり、常に小さな位置公差が伴います。したがって、センサーの応答タイミングは、常に実際のコイルと磁石の位置とはわずかに位相がずれて発生します。これにより、コイルへの電流の印加がわずかに変化し、避けられない振動が発生します。

台形整流は、非常に正確なスキャンや等速アプリケーションにはあまり適していません。ただし、正弦波整流よりも安価であるため、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に広く使用されています。

正弦波整流では、オン/オフの切り替えは発生しません。むしろ、電子スイッチングによって、3 相の 360 度の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、モーターからスムーズで一定の力が得られます。したがって、正弦波状の整流は、精密な輪郭の作成や、スキャンや視覚用途などの正確な一定速度が必要なアプリケーションに最適です。

コントローラー
ここでは十分に説明しきれないほど多くのコントローラー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 コントローラー (PLC) は、「ラダー」ロジック スキームを使用します。これらは主に複数の個別の入出力 (I/O) 機能を制御するために使用されますが、一部のものではモーション コントロール機能が制限されています。

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イス プログラムを含む、さまざまな独自のオペレーティング システムを使用します。これらのコントローラーのほとんどは、モニターやキーボードのない基本的なコントローラー 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。ホストには、パーソナル コンピュータ (PC)、ダム端末、またはハンドヘルド通信ユニットを使用できます。

最新のコントローラーはほとんどすべてデジタル コントローラーです。アナログ コントローラーでは前例のない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。すべてのサーボパラメータは、使用後や温度変化によってドリフトする傾向があるドライブアンプの「ポット」を苦労して調整するのではなく、ソフトウェアによって調整されます。最新のコントローラーのほとんどは、すべての軸のサーボ パラメーターの自動調整も提供します。

より高度なコントローラには、分散処理とデジタル シグナル プロセッサ (DSP) 軸制御も含まれています。 DSP は本質的に、数学的計算を非常に高速に (マイクロプロセッサより少なくとも 10 倍高速に) 実行できるように特別に設計されたプロセッサです。これにより、125 ミリ秒程度のサーボ サンプル時間を提供できます。利点は、軸を正確に制御して等速制御と滑らかな輪郭を実現できることです。

比例・積分・微分 (PID) フィルター アルゴリズムと速度および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、加速および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および停止に通常伴うジャークが制御されます。これにより、よりスムーズでより制御された動作が可能になり、位置と速度の両方の整定時間が短縮されます。

コントローラーには、広範なデジタルまたはアナログ入出力機能も含まれています。ユーザープログラムまたはサブルーチンは、位置、時間、またはステータス情報、変数の値、数学的演算、外部または内部 I/O イベント、またはエラー割り込みに応じて変更できます。ユーザーの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、電子乗算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 倍の乗算が一般的ですが、一部の高度なコントローラーでは 256 倍まで乗算できます。これによって精度が向上するわけではありませんが、軸位置の安定性が大幅に向上し、多くの用途においてより重要なことに、再現性が向上します。

全体的なアプローチでは、上記の要素に加えて、予算、環境、平均寿命、メンテナンスの容易さ、MTBF、エンド ユーザーの好みなど、コンポーネントの決定を変更する可能性のある他の要素も考慮する必要があります。モジュール式のアプローチにより、システム全体のコンポーネントの互換性を基礎から分析すれば、最も要求の厳しいアプリケーション要件さえも満たす、すぐに入手できる標準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。