サーボドライバセットアップガイド

サーボモーターは、自動化システムに不可欠なコンポーネントであり、特に精密な位置制御のために使用されます。この機能は、ほとんどのサーボモータブランドに標準装備されており、様々な産業用途に多用途に使用されています。

サーボモーターの動作は、高度な制御機構によって支配されている。コントローラーは一連の電気パルスをモーターに送信し、各パルスパラメーターは特定の機能を果たします。パルスの数は回転角度を決定し、正確な位置決めを可能にし、パルスの周波数はモーターの回転速度を決定する。この速度制御は、電子ギア比設定と複雑にリンクしており、指令パルスと実際のモーター回転の間の乗数として機能する。

新しいサーボシステムを試運転するときは、最適な性能を達成するために体系的なチューニングプロセスに従うことが極めて重要です。まず、位置ゲイン（Kp）を調整して、モータが最大限の滑らかさと最小限の可聴ノイズで動作するようにします。このステップは安定した動作の基礎を形成します。次に、システムの安定性において重要な要素であるモータと負荷の慣性モーメント比を検討します。最新のサーボドライブの多くは、この比率を推定できるオートチューニング機能を備えており、さらなる最適化のための信頼性の高い出発点を提供します。

慣性マッチングに続いて、速度ループのチューニングに焦点を当てます。速度ゲイン（Kv）と速度積分時間（Ti）パラメータを調整します。これらの設定は、高い位置精度を維持しながら、低速でスムーズな連続運転を実現する上で極めて重要です。これらのパラメータを微調整することで、応答性の高い性能とシステムの安定性のバランスをとることができ、精密なモーション制御を必要とするアプリケーションには極めて重要です。

(1) 位置比例ゲイン

位置制御レギュレータの比例ゲインを設定する。ゲインを高くすると剛性が高くなり、同じ周波数指令パルスでも位置遅れが小さくなります。ただし、高すぎると発振やオーバーシュートの原因となります。パラメータ値は、サーボシステムの機種や負荷によって決まります。

(2) 位置フィードフォワードゲイン

位置制御のフィードフォワードゲインを設定します。設定値を大きくすると、任意の周波数指令パルスに対する位置遅れが小さくなり、位置ループのフィードフォワードゲインが高くなり、制御系の高速応答特性が向上します。しかし、その分システムが不安定になったり、発振したりする可能性があります。高速応答特性を必要としない場合は、0～100% の範囲で 0 を設定します。

(3) 速度比例ゲイン

スピードレギュレータの比例ゲインを設定します。設定値を大きくするとゲインの値が大きくなり、システムが硬くなります。パラメータの値は、特定のサーボドライブシステムモデルと負荷に基づいて決定する必要があります。一般に、負荷イナーシャが大きいほど設定値は大きくなります。システムが発振しないことを確認しながら、大きな値を設定するようにしてください。

(4) 速度積分時定数

スピードレギュレータの積分時定数を設定します。設定値が小さいほど積分速度が速くなります。パラメータ値は、サーボドライブシステムの具体的な機種や負荷に応じて決定します。一般に負荷イナーシャが大きいほど設定値は大きくなります。システムが発振しない条件下では、より小さな値を設定することを目指します。

(5) 速度フィードバックフィルター係数

速度帰還ローパスフィルタの特性を設定する。

この値が高いほど、カットオフ周波数が低くなり、モーターから発生するノイズが小さくなる。

負荷イナーシャが大きい場合は、設定値を適切に大きくすることができる。

値が高すぎると応答が遅くなり、発振の原因となる。

カットオフ値が低いほど、レスポンスは速くなる。

より高い速度応答が必要な場合は、設定値を適切に下げることができる。

(6) 最大出力トルク設定

サーボドライバの内部トルク制限値を設定します。

設定値は定格トルクに対するパーセンテージで表されます。

この制限は常に有効であり、位置制御モードにおける位置決め完了パルスの範囲を設定する。

このパラメータは、位置制御モードで位置決めが完了したかどうかをドライバが判断するための基準となる。

位置偏差カウンタの残りパルス数が、このパラメータの設定値以下であれば、位置決め完了とし て、原点復帰スイッチ信号を ON します。それ以外はオフです。

位置制御モードでは、位置決め完了信号が出力され、加減速時定数の設定値により、モータの0～2000回転までの加速時間、または2000～0回転までの減速時間が決定されます。

加減速特性はリニアで、到達速度範囲が設定されています。非位置制御モードでは、サーボモータの速度が設定値を超えると速度到達スイッチ信号がオン、それ以外はオフとなります。

このパラメータは位置制御モードでは使用されず、回転方向とは無関係である。

(7) ゲイン・パラメーターを手動で調整する

速度比例ゲインKVP値の調整

サーボシステムを取り付けた後、安定した回転を得るためにパラメータを調整する必要があります。まず、速度比例ゲイン KVP の値から調整します。調整する前に、積分ゲイン KVI と微分ゲイン KVD をゼロにしてから、KVP の値を徐々に大きくしていきます。サーボモータが停止したときに発振していないか観察し、回転速度が明らかに速くなったり遅くなったりしないか、手動で KVP パラメータを調整します。KVPの値によって上記のような問題が発生する場合は、KVPの値を小さくして発振をなくし、回転速度を安定させます。この値が仮決定されたパラメータ値となる。必要に応じて補正を繰り返し、理想的な値にする。

積分ゲインKVI値の調整

積分ゲインのKVI値を徐々に上げて積分効果を出す。積分制御入門で述べたように、KVP値や積分効果が臨界値に達すると、発振や不安定を起こすことがあります。同様にKVI値を小さくすることで発振をなくし、回転速度を安定させます。この値が事前に決定したパラメータ値になります。

ディファレンシャル・ゲインKVD値の調整

差動ゲインの主な目的は、速度回転を滑らかにし、オーバーシュートを減らすことです。KVD 値を徐々に大きくすることで、速度の安定性が向上します。

ポジション比例ゲインKPP値の調整

KPP値を調整しすぎると、モータ位置決めがオーバーシュートして不安定になります。この場合、KPP値を小さくすることでオーバーシュートを抑え、不安定な状態を回避することができますが、小さくしすぎると位置決め効率が悪くなるので注意してください。

(8) ゲイン・パラメーターの自動調整

最近のサーボドライバはコンピュータ化されており、そのほとんどが自動ゲイン調整機能を備えているため、ほとんどの負荷条件に対応できる。パラメータ調整の際には、まず自動パラメータ調整機能を使用し、必要に応じて手動調整を行うことができます。自動ゲイン調整にも様々なオプションがあります。一般的に、制御応答は高応答、中応答、低応答などのレベルに分かれており、ユーザーは要求に応じて設定することができる。