무대, 드라이브 및 인코더 설계.

베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 컨트롤러 등 고정확도 포지셔닝 시스템을 구성하는 구성 요소는 가능한 한 함께 작동해야 합니다. 1부에서는 시스템 베이스와 베어링을 다룹니다. 2부에서는 위치 측정을 다룹니다. 여기서는 스테이지, 드라이브 및 인코더 설계에 대해 논의합니다. 구동 증폭기; 그리고 컨트롤러.

선형 엔코더를 사용할 때 선형 스테이지를 조립하는 데 일반적으로 사용되는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.
• 드라이브와 인코더는 슬라이드 질량 중심에 최대한 가깝게 위치합니다.
• 드라이브는 질량 중심에 위치합니다. 인코더가 한쪽에 부착됩니다.
• 드라이브는 한쪽에 있습니다. 다른 한편으로는 인코더.

이상적인 시스템은 인코더가 있는 슬라이드 질량의 중앙에 드라이브가 있습니다. 그러나 이는 일반적으로 비실용적입니다. 일반적인 절충안은 드라이브를 한쪽으로 약간 벗어난 위치에 두는 것입니다. 인코더는 다른 쪽과 약간 다릅니다. 이는 구동 시스템 옆에 모션 피드백이 있는 중앙 구동에 대한 좋은 근사치를 제공합니다. 구동력이 슬라이드에 원치 않는 힘 벡터를 도입하여 비틀림이나 코킹을 유발하지 않기 때문에 중앙 드라이브가 선호됩니다. 베어링 시스템이 슬라이드를 단단히 구속하기 때문에 코킹으로 인해 마찰, 마모 및 하중 위치 부정확성이 증가합니다.

또 다른 방법은 슬라이드 양쪽에 하나씩 두 개의 드라이브가 있는 갠트리 스타일 시스템을 사용하는 것입니다. 결과적인 구동력은 중앙 구동을 에뮬레이트합니다. 이 방법을 사용하면 중앙에서 위치 피드백을 찾을 수 있습니다. 이것이 불가능할 경우 각 측면에 인코더를 배치하고 특수 갠트리 드라이브 소프트웨어를 사용하여 테이블을 제어할 수 있습니다.

드라이브 앰프
서보 드라이브 증폭기는 컨트롤러로부터 일반적으로 ±10Vdc의 제어 신호를 수신하고 작동 전압 및 전류 출력을 모터에 제공합니다. 일반적으로 전력 증폭기에는 선형 증폭기와 펄스폭 변조(PWM) 증폭기라는 두 가지 유형이 있습니다.

선형 증폭기는 비효율적이므로 주로 저전력 드라이브에 사용됩니다. 선형 증폭기의 출력 전력 처리 용량에 대한 주요 제한 사항은 출력단의 열 특성과 출력 트랜지스터의 항복 특성입니다. 출력단의 전력 손실은 출력 트랜지스터의 전류와 전압의 곱입니다. 반면에 PWM 증폭기는 효율적이며 일반적으로 100W 이상의 전력 용량에 사용됩니다. 이 증폭기는 최대 50MHz의 주파수에서 출력 전압을 전환합니다. 출력 전압의 평균값은 명령 전압에 비례합니다. 이 유형의 장점은 전압을 켜고 끌 수 있어 전력 소모 용량이 크게 증가한다는 것입니다.

증폭기 유형을 선택했으면 다음 단계는 증폭기가 애플리케이션의 최대 모터 회전 속도(또는 선형 모터의 경우 선형 속도)에 필요한 수준에서 필요한 연속 전류 및 출력 전압을 제공할 수 있는지 확인하는 것입니다.

브러시리스 선형 모터의 경우 증폭기를 또 다른 구별할 수 있습니다. 일반적으로 두 가지 유형의 모터 정류(사다리꼴 및 정현파)가 사용됩니다. 사다리꼴 정류는 3상 각각에 대한 전류가 On 또는 Off로 전환되는 디지털 유형의 정류입니다. 일반적으로 모터에 내장된 홀 효과 센서가 이를 수행합니다. 외부 자석이 센서를 트리거합니다. 그러나 홀 효과 센서, 코일 권선 및 자석 간의 관계는 매우 중요하며 항상 작은 위치 공차가 수반됩니다. 따라서 센서의 응답 타이밍은 항상 실제 코일 및 자석 위치와 약간 다른 위상으로 발생합니다. 이로 인해 코일에 전류를 가할 때 약간의 변화가 발생하여 피할 수 없는 진동이 발생합니다.

사다리꼴 정류는 매우 정밀한 스캐닝 및 등속 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 그러나 정현파 정류보다 비용이 저렴하므로 고속, 지점 간 시스템 또는 모션 부드러움이 처리에 영향을 미치지 않는 시스템에 광범위하게 사용됩니다.

정현파 정류의 경우 On-Off 전환이 발생하지 않습니다. 오히려 전자 스위칭을 통해 세 위상의 360도 전류 위상 변이가 정현파 패턴으로 변조됩니다. 그 결과 모터에서 부드럽고 일정한 힘이 발생합니다. 따라서 정현파 모양의 정류는 정밀한 윤곽을 만드는 데 적합하며 스캐닝 및 비전 용도와 같이 정밀한 등속도가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

컨트롤러
여기서 적절하게 논의할 수 있는 것보다 더 많은 컨트롤러 클래스가 있습니다. 기본적으로 컨트롤러는 프로그래밍 언어 및 제어 논리에 따라 여러 범주로 나눌 수 있습니다.

프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)는 "사다리" 논리 체계를 사용합니다. 일부는 제한된 모션 제어 기능을 제공하지만 주로 여러 개별 입출력(I/O) 기능을 제어하는 ​​데 사용됩니다.

수치 제어(NC) 시스템은 산업 표준 언어인 RS274D 또는 변형을 통해 프로그래밍됩니다. 다축 제어를 통해 구형 및 나선형 모양과 같은 복잡한 모션을 수행할 수 있습니다.

비 NC 시스템은 기본 모션 프로파일을 위한 사용하기 쉬운 인터페이스 프로그램을 포함하여 다양한 독점 운영 체제를 사용합니다. 이러한 컨트롤러의 대부분은 모니터나 키보드가 없는 기본 컨트롤러 모듈로 구성됩니다. 컨트롤러는 RS-232 포트를 통해 호스트와 통신합니다. 호스트는 개인용 컴퓨터(PC), 단순 단말기 또는 휴대용 통신 장치일 수 있습니다.

거의 모든 최신 컨트롤러는 디지털 컨트롤러입니다. 아날로그 컨트롤러에서는 볼 수 없었던 수준의 신뢰성과 사용 편의성을 제공합니다. 속도 피드백 정보는 일반적으로 축 위치 신호에서 파생됩니다. 모든 서보 매개변수는 사용 후 온도 변화에 따라 표류하는 경향이 있는 구동 증폭기 "포트"를 힘들게 조정하는 대신 소프트웨어를 통해 조정됩니다. 대부분의 최신 컨트롤러는 모든 축 서보 매개변수의 자동 조정 기능도 제공합니다.

고급 컨트롤러에는 분산 처리 및 DSP(Digital Signal Processor) 축 제어도 포함됩니다. DSP는 본질적으로 매우 빠르게(마이크로프로세서보다 최소 10배 빠른) 수학적 계산을 수행하도록 특별히 설계된 프로세서입니다. 이는 125msec 정도의 서보 샘플 시간을 제공할 수 있습니다. 장점은 일정한 속도 제어와 부드러운 윤곽 형성을 위한 축의 정밀한 제어입니다.

PID(비례-적분-미분) 필터 알고리즘과 속도 및 가속도 피드포워드는 축의 서보 제어를 향상시킵니다. 또한 가속 및 감속 프로필의 S-곡선 프로그래밍은 일반적으로 테이블 동작을 시작하고 중지하는 데 사용되는 저크를 제어합니다. 이를 통해 더욱 부드럽고 제어된 작동이 가능해지며 위치와 속도 모두에 대한 정착 시간이 빨라집니다.

컨트롤러에는 광범위한 디지털 또는 아날로그 입력/출력 기능도 포함되어 있습니다. 사용자 프로그램이나 서브루틴은 위치, 시간 또는 상태 정보, 변수 값, 수학 연산, 외부 또는 내부 I/O 이벤트 또는 오류 인터럽트에 따라 변경될 수 있습니다. 사용자의 프로세스는 쉽게 자동화될 수 있습니다.

또한 대부분의 컨트롤러는 전자 곱셈을 통해 위치 피드백 분해능을 높일 수 있습니다. 4배 곱셈이 일반적이지만 일부 고급 컨트롤러는 256배까지 곱할 수 있습니다. 정확도가 향상되지는 않지만 축 위치 안정성이 실제로 향상되고 더 중요한 것은 많은 용도에서 반복성이 향상됩니다.

전반적인 접근 방식에서는 위에서 언급한 요소 외에도 예산, 환경, 기대 수명, 유지 관리 용이성, MTBF, 최종 사용자 선호도 등 구성 요소 결정을 수정할 수 있는 다른 요소를 고려해야 합니다. 모듈식 접근 방식을 사용하면 전체 구성 요소 호환성을 위해 시스템을 기초부터 분석하는 경우 가장 까다로운 애플리케이션 요구 사항도 충족할 수 있는 쉽게 사용할 수 있는 표준 구성 요소로 시스템을 조립할 수 있습니다.