サーボモータによくある3つの問題：トラブルシューティング

サーボシステムは電気機械製品に不可欠な要素であり、最高レベルの動的応答とトルク密度を提供します。

したがって、ドライブシステム開発のトレンドは、従来の油圧、DC、ステッパー、AC可変速ドライブをACサーボドライブに置き換えることである。

この移行は、より短いサイクル、より高い生産性、信頼性の向上、より長い寿命など、システムの性能を新たなレベルに引き上げることを目的としている。

サーボモーターの性能を最大限に引き出すには、そのユニークな使用特性を理解することが不可欠です。

課題1：ノイズ、不安定性

サーボモーターを特定の機械に使用する際、過剰なノイズや不安定な動作にしばしば遭遇する。このような問題が発生した場合、多くのユーザーはまずサーボモータの品質を疑います。

負荷の駆動をステッピングモーターや可変周波数モーターに切り替えると、ノイズや不安定性が大幅に減少することが多いからだ。

一見したところ、確かにサーボモーターの問題のように見える。

しかし、サーボモーターの動作原理を注意深く分析すると、この結論はまったくの見当違いであることがわかる。

ACサーボ・システムは、サーボ・ドライブ、サーボ・モーター、フィードバック・センサ（一般に、サーボ・モーターには光学式エンコーダが付属している）で構成されている。

これらのコンポーネントはすべて、クローズド・ループ制御システム内で動作する。ドライブは外部からパラメータ情報を受け取り、特定の電流をモーターに供給し、それをトルクに変換して負荷を駆動する。

負荷はその特性に基づいて動作したり、加速・減速したりする。

センサーは負荷の位置を測定し、ドライブ装置は設定された情報値と実際の位置値を比較することができます。そして、実際の位置値が設定情報値と一致するようにモータ電流を調整します。

急激な負荷変動により速度が変化すると、エンコーダは直ちにこの速度変化をサーボドライブに伝えます。

その後、ドライブはサーボモーターに供給する電流を変更して負荷の変化に対応し、プリセット速度に戻ります。

ACサーボシステムは応答性の高いクローズドループシステムであり、負荷変動から速度補正までの応答タイムラグは非常に速い。このとき、システム応答に対する主な制限は、機械的接続装置の伝達時間である。

簡単な例を挙げると、サーボモーターを使ってVベルトで定速・高慣性負荷を駆動する機械を考えてみよう。システム全体は、一定速度と高速応答特性を維持する必要があります。その動作プロセスを分析してみよう。

ドライブがモータに電流を供給すると、モータは直ちにトルクを発生する。最初はVベルトの弾性のため、負荷はモーターほど速く加速しません。

サーボモーターは負荷よりも早く設定回転数に到達し、その時点でモーターに取り付けられたエンコーダーが電流を弱め、トルクを低下させる。Vベルトの張力が増加し続けると、モータの速度が遅くなる。

そしてドライバーは再び電流を増やし、このサイクルを繰り返す。公式アカウント：SolidWorks 非標準機械設計.

この場合、システムは振動し、モータのトルクは変動し、負荷速度もそれに応じて変動する。

その結果、ノイズや摩耗、不安定さが生じるのは避けられない。しかし、これらはサーボモーターに起因するものではない。このようなノイズや不安定性は、機械的な伝達装置に起因するものであり、サーボシステムの高速応答と、機械的な伝達や応答時間の長さとのミスマッチによるものである。

つまり、サーボモーターの応答は、システムが新しいトルクに適応するのに必要な時間よりも速い。

問題の根源を特定すれば、解決はずっと容易になる。先ほどの例を参照すると、次のようになる：

(1)機械的剛性を高め、システムのイナーシャを低減し、機械的伝達部品の応答時間を短縮する。例えば、Vベルトをダイレクトスクリュードライブに置き換えたり、Vベルトの代わりにギアボックスを使用する。

(2) サーボシステムの応答速度を遅くし、サーボシステムのゲイン値を下げるなど、サーボシステムの制御帯域幅を狭くする。

もちろん、これらはノイズや不安定さの原因の一部に過ぎない。原因によって異なる解決策が存在する。例えば、機械的共振に起因するノイズは、サーボシステムに共振抑制やローパスフィルタリングを実装することで対処できる。結論として、ノイズや不安定性の原因は、一般的にサーボモーターそのものにあるわけではありません。

問題 2: 慣性マッチング

サーボシステムの選択とチューニングの過程で、慣性の問題がしばしば生じる。具体的には、次のようになる：

1.サーボシステムを選択する場合、モータのトルクや定格回転数などを考慮する以外に、まずモータ軸に換算した機械系の慣性を計算する必要がある。

そして、機械の実際の動作要件とワークピースの品質要件に基づいて、適切なサイズのイナーシャを持つモーターを選択します。

2.チューニング中（マニュアルモード）、イナーシャ比パラメータを正しく設定することは、機械とサーボシステムの性能を最大限に引き出すための前提条件です。

この点は、特に高速・高精度が要求されるシステム（デルタサーボのイナーシャ比パラメータは1-37、JL/JM）で顕著である。そこで、イナーシャマッチングの問題が発生する！では、"イナーシャマッチング "とは何か？

1.ニュートンの第二法則によれば、フィードシステムに必要なトルクTは、システムの慣性モーメントJに角加速度θを掛けたものに等しい。θが小さいほど、コントローラの指令からシステムの実行までの時間が長くなり、システムの応答が遅くなる。θが変動すると、システムの応答速度が変化し、加工精度に影響を与えます。モータが選択されると最大出力Tは一定になることを考えると、θの変化を最小限にしたいのであれば、Jはできるだけ小さくする必要があります。

2.送り軸の総イナーシャJ は、サーボモータの回転イナーシャJM に、モータ軸から変換された負荷イナーシャJL を加えたものに等しい。負荷イナーシャJLは、ワークテーブル（工作機械の場合）、その上の治具やワーク、ねじ、カップリングなどの直線および回転部品のイナーシャで構成され、これらはすべてモータ軸のイナーシャに変換される。JMはサーボモータのロータのイナーシャを表し、サーボモータを選択すれば一定ですが、JLはワークなどの負荷の変化で変動します。Jの変化率を小さくしたい場合は、JLが占める割合を小さくするのがよい。これを一般に "イナーシャマッチング "と呼ぶ。

慣性マッチングとは何か、具体的にどのような影響があり、どのように決定されるのか。

インパクトがある：

ドライブのイナーシャは、サーボシステムの精度、安定性、動的応答に影響します。イナーシャが大きいと、システムの機械定数が大きくなり、応答が遅くなり、システ 固有振動数共鳴につながる可能性がある。

これはサーボの帯域幅を制限し、サーボの精度と応答速度に影響を与える。

適切な慣性の増加は、低速クローリングを改善する場合にのみ有利である。したがって、機械設計においては、システム剛性を損なうことなく慣性を最小化するよう努力すべきである。

決定：

機械システムの動的特性を評価する場合、イナーシャが小さいほどシステムの動的応答は良くなる。逆にイナーシャが大きいとモーター負荷が大きくなり、制御が難しくなります。

しかし、機械システムのイナーシャは、そのイナーシャと同じでなければならない。 モーターイナーシャ.さまざまなメカニズムが慣性マッチングの原理をさまざまに選択し、それぞれがユニークな機能表示を持つ。

例えば、高速切断では a CNC サーボモーターを介してマシニングセンターを加工する場合、負荷イナーシャが大きくなると次のような現象が起こる：

(1) 制御指令が変わると、モータが新しい指令の要求速度に達するまでにかなりの時間がかかる；

(2) 機械が2軸で動作して高速円弧切削を実行すると、重大なエラーが発生する可能性がある：

   i.一般的なサーボモータでは、JLがJM以下であれば、上記の問題は発生しない。

   ii.JLがJMの3倍に等しい場合、モータの制御性はわずかに低下するが、日常的な動作には影響しない。 金属切断.(高速曲線切断の場合、一般にJLはJM以下であることが推奨される）。

   iii.JLが3倍JM以上になると、モータの制御性が著しく低下し、特に高速曲線切断時に顕著となる。

機械的作用や機械加工の品質要求が異なれば、JLとJMの関係も異なる。

イナーシャマッチングの決定は、機械の技術的特性と加工工程の品質要件に基づく必要がある。

問題 3: サーボモーターの選択

機械的な伝達方式を確定した後は、サーボモーターの型式とサイズを選択し、確認する必要がある。

(1) 選考基準

一般的に、サーボモータの選定は以下の状況を満たす必要がある：

• モータの最高回転速度＞システムに要求される最高移動速度；
• モータのロータイナーシャは負荷イナーシャと一致する；
• 連続負荷作動トルク≦モータの定格トルク；
• モータの最大出力トルク＞システムの最大要求トルク（加速トルク）。

(2) セレクションの計算

• 慣性マッチング計算（JL/JM）；
• 回転速度計算（負荷端回転速度、モータ端回転速度）；
• 負荷トルク計算（連続負荷作動トルク、加速トルク）。