AC サーボ ドライブの説明: その仕組み、選び方、最大限に活用する方法

ACサーボドライブとは何ですか?またどのように動作しますか?

AC サーボ ドライブは、モーターの実際の位置、速度、トルクを継続的に監視し、指令された基準信号と一致するように供給される電力をリアルタイムで調整することにより、AC サーボ モーターの動作を制御する電子パワー アンプおよび制御ユニットです。 「サーボ」という言葉は、使用人を意味するラテン語の「servus」に由来しています。これがまさに AC サーボ ドライブの役割です。モーターを非常に正確に追従させることでコマンド信号に応え、コマンドと実際のモーター状態の間の偏差をミリ秒以内に修正します。この閉ループ フィードバック アーキテクチャは、AC サーボ ドライブ システムを、開ループ可変周波数ドライブ (VFD) や単純なオン/オフ モーター コントローラーと根本的に区別するものです。

AC サーボ ドライブ システムは、サーボ ドライブ自体 (サーボ アンプまたはサーボ コントローラーと呼ばれることもあります)、AC サーボ モーター、およびフィードバック デバイス (最も一般的にはモーター シャフトに取り付けられたロータリー エンコーダーまたはレゾルバー) の 3 つの緊密に統合されたコンポーネントで構成されます。エンコーダはモーターの正確な角度位置を継続的にドライブに報告し、ドライブはこの測定された位置をマシンコントローラー (通常は PLC またはモーションコントローラー) によって指令された位置と比較し、両者間の誤差を排除するために必要な正確な電圧波形と電流波形を計算します。このプロセスは 1 秒あたり数千回発生し、 ACサーボドライブ 1 度単位で測定される位置決め精度、設定値の何分の 1 パーセント以内での速度制御、および 1 桁ミリ秒で測定されるトルク応答時間を実現します。

AC サーボ ドライブ、VFD、ステッパー ドライバー: 主な違い

モーション制御における最も一般的な混乱の原因の 1 つは、AC サーボ ドライブが可変周波数ドライブ (VFD) やステッピング モーター ドライバーとどのように異なるかを理解することです。これら 3 つはいずれもモーターの速度と位置をさまざまな程度に制御しますが、制御アーキテクチャ、パフォーマンス機能、および適切なアプリケーションが根本的に異なります。以下の表は、主な違いを明確にしています。

VFD とステッピング ドライバーの両方に対する AC サーボ ドライブ システムの基本的な利点は、位置決めエラーをリアルタイムで検出して修正できることです。急激な負荷変化、機械振動、瞬間的な動力変動などの外乱によりモーターが指令位置からずれた場合、ACサーボドライブは直ちに補正トルクを加えて元の位置に戻します。ステッピング ドライバーは、モーターが実際に指令された位置に到達したかどうかを知りません。過負荷によるステップのミスは検出されず、機械が再びホームに戻るまで位置決めエラーとして蓄積されます。

ACサーボドライブシステムのコアコンポーネント

AC サーボ ドライブの内部にあるものと、各コンポーネントがシステム全体のパフォーマンスにどのように寄与するかを理解することは、エンジニアがより適切な設計、チューニング、トラブルシューティングの意思決定を行うのに役立ちます。完全な AC サーボ ドライブ システムは、次の統合要素で構成されます。

パワーステージと整流器

AC サーボ ドライブの電力段は、入力 AC 電源電圧 (通常、小型ドライブの場合は単相 200 ～ 240 V、大型ユニットの場合は三相 380 ～ 480 V) を、整流器とフィルター コンデンサ バンクを通じて制御された DC バス電圧に変換します。この DC バス電圧は、通常 4 kHz ～ 16 kHz のスイッチング周波数でパルス幅変調 (PWM) を使用する IGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) インバータ段によってチョップされ、サーボ モータを駆動する可変周波数、可変電圧の三相 AC 出力を生成します。 IGBT スイッチング回路の品質は、ドライブの効率、発熱、モーターに供給される電流波形の滑らかさに直接影響します。これらの要素は、モーターの性能と音響ノイズ レベルの両方に影響を与えます。

デジタル信号プロセッサ (DSP) 制御ボード

AC サーボ ドライブのインテリジェンスは、DSP ベースの制御ボードにあり、通常、位置ループの 1 kHz から電流 (トルク) ループの 10 ～ 20 kHz までの範囲の更新レートで位置、速度、および電流の制御ループを実行します。 DSP はエンコーダのフィードバック信号を読み取り、ループ更新ごとに指令された状態と実際の状態の間の誤差を計算し、フィードフォワード補償を備えた PID (比例-積分-微分) 制御アルゴリズムを適用し、PWM スイッチング コマンドを IGBT パワー ステージに出力します。最新の AC サーボ ドライブ DSP は、パラメータの保存、障害検出、保護機能、通信プロトコル処理、および初期設定を簡素化する自動チューニング アルゴリズムも処理します。

エンコーダインターフェイスとフィードバック処理

エンコーダ インターフェイス回路は、サーボ モータのエンコーダまたはレゾルバから位置フィードバック信号を受信し、それを DSP が制御計算に使用できるデジタル位置データに変換します。最新の AC サーボ ドライブは、インクリメンタル エンコーダ (A/B/Z 直角位相信号)、アブソリュート エンコーダ (シングルターンおよびマルチターン)、シリアル エンコーダ (Endat、BiSS、Hyperface)、およびレゾルバを含む幅広いエンコーダ タイプをサポートしており、それぞれが異なる分解能、ノイズ耐性、および絶対位置保持特性を備えています。エンコーダの分解能が高いほど、より微細な位置決めとスムーズな低速動作が可能になります。たとえば、20 ビットのアブソリュート エンコーダは、1 回転あたり 100 万を超えるカウントを提供し、0.001 度未満の位置決め分解能を可能にします。

通信およびI/Oインターフェース

AC サーボ ドライブは、デジタル I/O 信号とフィールドバス通信インターフェイスの組み合わせを通じてマシン コントローラーと通信します。標準デジタル I/O には通常、サーボ イネーブル、フォルト リセット、ホーミング入力、リミット スイッチ入力、およびアラーム出力信号が含まれます。フィールドバス オプションはメーカーやアプリケーションによって異なりますが、一般的には EtherCAT、PROFINET、Modbus RTU/TCP、CANopen、DeviceNet、MECHATROLINK-III などがあります。 EtherCAT は、その分散クロック同期機能により、多軸サーボ システムの高性能フィールドバスとして主流となっています。これにより、複数のサーボ ドライブがナノ秒レベルのタイミング精度で動作を同期できるようになります。これは、調整された多軸 CNC およびロボット工学アプリケーションに不可欠です。

ACサーボドライブ制御モードの説明

AC サーボ ドライブは、位置モード、速度モード、トルク モードという 3 つの基本的な制御モードで動作し、それぞれがサーボ ドライブの 3 ループ制御階層の異なる層に対応します。特定のアプリケーションにどのモードを使用するかを理解することは、サーボ システム設計において最も重要な決定事項の 1 つです。

位置制御モード

位置制御モードでは、AC サーボ ドライブは、通常はパルス列 (ステップ/方向または直角位相エンコーダ追従) として、またはフィールドバス位置基準を介して位置コマンドを受け取り、最小限の誤差でコマンドの位置に到達して保持するようにモータを制御します。ドライブは 3 つの制御ループをすべて同時に実行します。外側の位置ループは速度コマンドを生成し、中間の速度ループはトルク コマンドを生成し、内側の電流/トルク ループはモーターの電流を制御して必要なトルクを生成します。位置モードは、特定の位置に繰り返し正確に移動することが主な要件である工作機械、ピックアンドプレース、パッケージング、および半導体製造アプリケーションの大部分で使用されています。

速度制御モード

速度制御モードでは、ドライブは速度基準 (アナログ ±10V、デジタル プリセット速度、またはフィールドバス速度コマンド) を受け入れ、負荷の変動に関係なく正確に一致するようにモーターの回転速度を調整します。このモードでは位置ループは非アクティブであり、ドライブは速度ループと電流ループのみを実行します。速度モードは、特定の位置に到達することではなく、正確で安定した速度を維持することが主な制御目標である、巻取機、印刷機、コンベア同期、スピンドル ドライブなどのアプリケーションで使用されます。速度モードの AC サーボ ドライブは、大幅な負荷変動下でも速度調整を設定値の 0.01% 以内に維持できますが、これは標準の VFD では達成できない性能レベルです。

トルク制御モード

トルク制御モードでは、ドライブは指令されたトルク基準に一致するようにモーターの出力トルク (モーター電流に比例) を調整し、モーターの速度を機械的負荷によって決定できるようにします。このモードでは、最も内側の電流制御ループのみがアクティブになります。トルク モードは、速度や位置ではなく、一定の張力を維持することが目的である、伸線、フィルムの巻き取り、ケーブル敷設などの張力制御アプリケーションで使用されます。また、力制御によるアセンブリ アプリケーションや、マスター ドライブが位置を制御し、スレーブ ドライブがトルク モードで追従して機械的負荷を共有するマスター/スレーブ多軸システムでも使用されます。

ACサーボドライブ選定時の主な仕様

特定のアプリケーションに適切な AC サーボ ドライブを選択するには、ドライブの電気仕様および性能仕様をサーボ モーターと機械の両方の要件に一致させる必要があります。評価すべき最も重要なパラメータは次のとおりです。

• 連続およびピーク電流定格: ドライブの連続電流定格は、サーボ モーターの定格電流以上である必要があります。ピーク電流定格は、加速のために短時間の過負荷電流を供給するドライブの能力を決定します。通常、高性能 AC サーボ ドライブでは、1 ～ 3 秒間の連続定格電流の 200 ～ 300% です。ドライブのピーク電流能力が小さすぎると、加速が遅くなり、動的応答が低下します。
• 入力電圧と位相: ドライブの入力電圧仕様が利用可能な電源と一致していることを確認します。最大約 750W ～ 1.5kW のドライブの場合は単相 200 ～ 240V、それ以上のドライブの場合は三相 200 ～ 240V または 380 ～ 480V です。単相電源で三相ドライブを使用する場合 (低電力アプリケーションでの一般的な回避策)、整流器の不平衡負荷を考慮してドライブの電流出力をディレーティングする必要があります。
• エンコーダインターフェイスの互換性: ドライブのエンコーダ入力が、サーボ モータに取り付けられているエンコーダ タイプと互換性があることを確認してください。モーターのエンコーダーとは異なるエンコーダー プロトコルを備えたドライブを使用するには、外部コンバータ インターフェイスが必要となり、フィードバック パスにコストと遅延が追加されます。可能な限り、同じメーカーのサーボ システムから適合するドライブとモーターを選択して、エンコーダの完全な互換性と最適化されたチューニング パラメータを確保してください。
• 通信プロトコル: マシンの PLC またはモーション コントローラで使用されるフィールドバス プロトコルをネイティブにサポートする AC サーボ ドライブを選択します。 EtherCAT は、高性能の同期多軸システムに最適な選択肢です。 PROFINET は、シーメンスが主流のオートメーション環境に適しています。 Modbus RTU は、サイクル タイム要件が厳しくない、より単純な単軸アプリケーションで広く使用されています。
• 回生ブレーキ機能: サーボ モーターが高慣性負荷を減速すると、発電機として機能し、エネルギーを DC バスに返します。この回生エネルギーがドライブの内部制動抵抗器の容量を超えると、DC バス電圧が上昇し、過電圧フォルトが発生する可能性があります。高慣性負荷を頻繁にまたは急速に減速するアプリケーションの場合は、外部ダイナミック ブレーキ抵抗器オプションまたはブレーキ エネルギーを供給グリッドにフィードバックするアクティブ回生機能を備えたドライブを選択してください。
• 安全機能: 最新の AC サーボ ドライブには、安全トルク オフ (STO)、安全停止 1 (SS1)、安全制限速度 (SLS)、安全制限位置 (SLP) など、IEC 61800-5-2 に認定された統合機能安全機能が組み込まれることが増えています。これらの機能により、別個のコンタクタやドライブ電源全体の除去を必要とせずに、安全システム コマンドに応答してドライブが安全状態に移行できるため、安全性が重要な機械アプリケーションにおける安全回路設計が簡素化され、ハードウェア コストが削減されます。

さまざまな業界にわたる AC サーボ ドライブ アプリケーション

AC サーボ ドライブは、現代の製造およびオートメーションのほぼすべての分野で使用されています。これは、AC サーボ ドライブが提供する精度、速度、動的応答の組み合わせは、他のモーション コントロール テクノロジでは達成することが不可能または非現実的であるためです。主な応用分野と、サーボドライブがそれぞれの分野に具体的にどのようなメリットをもたらすかを次に示します。

CNC工作機械

CNC マシニング センター、旋盤、研削盤、EDM 装置は、軸の位置決めとスピンドル制御に AC サーボ ドライブを利用しています。 5 軸マシニング センターでは、5 つ以上の AC サーボ ドライブが CNC コントローラからの協調制御の下で同時に動作し、それぞれの軸でサブミクロンの位置決め精度を維持しながら、毎分数メートルの送り速度での急速な軌道変化に応答します。サーボ位置ループの剛性、つまり切削力による位置誤差に耐える能力は、加工部品の寸法精度と表面仕上げの品質を直接決定するため、サーボ ドライブの調整は工作機械の性能最適化の重要な側面となります。

産業用ロボット

産業用ロボット アームのすべての関節は専用の AC サーボ ドライブとモーターによって駆動され、ロボット コントローラーがすべての軸を同時に調整して、3 次元空間で滑らかで正確な軌道を実行します。溶接、塗装、組立、マテリアルハンドリング用途で使用される多関節ロボットには通常 6 つのサーボ軸が組み込まれていますが、スカラ ロボットやデルタ ロボットは 3 ～ 4 つの軸を使用します。サーボ ドライブのトルク応答帯域幅は、アーム セグメントの急速な加速と減速中に位置精度を維持するロボットの能力を直接決定します。これは、ロボット製造セルにおけるサイクル タイムとプロセスの再現性の主な決定要因です。

包装および印刷機械

高速包装ライン (製袋包装機、カートナー、ケース包装機、ラベル貼付装置) では、以前は機械要素を同期していた機械式カムおよびギアボックス システムに代わって、AC サーボ ドライブが使用されています。最新の AC サーボ ドライブに組み込まれた電子ギアリングおよびカム機能により、機械設計者は軸間の仮想的な機械的関係を完全にソフトウェアで作成でき、物理的なカムやギアボックスの交換ではなくパラメータ調整による迅速なフォーマット変更が可能になります。印刷機は、ウェブ張力制御、見当補正、および切断シリンダーの位相調整に AC サーボ ドライブを使用し、毎分数百メートルの生産速度で数ミリメートルの単位の印刷見当精度を実現します。

半導体およびエレクトロニクス製造

ウェーハハンドリングロボット、ダイボンディングマシン、ワイヤボンダ、PCB 穴あけ装置、SMT ピックアンドプレースマシンは、現存する最も要求の厳しい AC サーボ ドライブ アプリケーションの一部です。これらの機械には、ミクロン単位で測定される位置決め精度、数ミリ秒の整定時間、位置決め誤差の蓄積や機械的磨耗による精度低下を引き起こすことなく、1 日に数十万回の正確な位置決めサイクルを実行できる能力が必要です。高帯域幅 AC サーボ ドライブによって駆動されるリニア サーボ モータは、回転からリニアへの機械伝達要素のコンプライアンスとバックラッシュを排除するために、これらのアプリケーションでますます使用されています。

AC サーボドライブのコミッショニングと調整方法

AC サーボ ドライブの適切なコミッショニングと調整は、ハードウェアが提供できる位置決め精度、動的応答、および安定性を達成するために不可欠です。サーボ ドライブ システムの調整が不十分な場合は、たとえ高品質のコンポーネントで構築されたものであっても、オーバーシュート、発振、応答の遅さ、または不安定性が発生し、マシンのパフォーマンスが低下します。次の手順は、ほとんどの AC サーボ ドライブ システムの標準的な試運転ワークフローを表しています。

• モーターパラメータの構成: サーボ モーターの定格パラメータ (電圧、電流、速度、エンコーダのタイプと分解能、極数、逆起電力定数) をドライブのパラメータ セットに入力します。ほとんどのメーカーは、直接ロードできる独自のモーター用に事前設定されたモーター パラメーター ファイルを提供しているため、手動入力エラーを排除できます。サードパーティ製モーターの組み合わせの場合、これらのパラメーターはモーターのデータシートから手動で入力する必要があります。
• 自動チューニング: 最新の AC サーボ ドライブには、機械システムの慣性比 (モーター慣性に対する負荷慣性の比) を特定し、3 つすべての制御ループの初期 PID ゲインを自動的に計算する自動チューニング機能が含まれています。モーターを切り離さずに実際の機械負荷に接続した状態で自動チューニング ルーチンを実行すると、有意義な慣性測定結果が得られます。慣性比は、初期ゲインの計算にとって最も重要なパラメータです。慣性比が高いシステム (負荷の慣性がモーターの慣性よりもはるかに大きい) では、安定性を維持するためにゲインを低くする必要があります。
• 手動ゲイン調整: 自動チューニングは開始点を提供しますが、最適なパフォーマンスを得るには通常、手動による調整が必要です。システムがわずかに振動し始めるまで速度ループ ゲイン (比例ゲイン) を増加させ、その後 20 ～ 30% 減少させます。速度ループの積分ゲインを調整して、低周波数のハンチングを引き起こすことなく定常状態の速度誤差を排除します。最後に、位置ループの比例ゲインを調整して、目的の位置整定動作を実現します。より高速な整定にはより高いゲインが必要ですが、過度の位置ループ ゲインは位置コマンドでオーバーシュートや発振を引き起こします。
• ノッチフィルター構成: 機械的共振により特定の速度で高周波発振または音響ノイズが発生する場合は、共振周波数を減衰するようにドライブの内蔵ノッチ フィルターを構成します。最新の AC サーボ ドライブには、2 つ以上の構成可能なノッチ フィルターと自動振動抑制機能が組み込まれており、手動の周波数分析装置を使用せずに機械共振周波数を特定してフィルタリングできます。
• 保護パラメータ設定: システムを運用開始する前に、過電流、過電圧、不足電圧、過速度、エンコーダ エラー、およびモーター過熱保護のしきい値を設定します。次の誤差制限 (ドライブ障害が発生する前の指令位置と実際の位置の間の最大許容偏差) をアプリケーションに適切な値に設定します。実際の位置決めの問題を検出するには十分に厳しく、通常の加速過渡現象中に迷惑な障害を回避するには十分に緩めます。

一般的な AC サーボ ドライブの障害とその診断方法

AC サーボ ドライブは、継続的に自己監視を行い、異常な状態が検出された場合に障害コードを生成する高度な電子システムです。最も一般的な障害カテゴリとその考えられる原因を理解すると、サーボ システムが正しく動作しなくなった場合のトラブルシューティング時間が大幅に短縮されます。

• 過電流障害: ドライブの出力電流がピーク電流制限を超えるとトリガーされます。一般的な原因としては、モーター巻線または電源ケーブルの短絡、不適切なモーター パラメーター設定によりドライブが過剰な電流を指令すること、機械的詰まりによりモーターの回転が妨げられること、PID ゲインの設定が高すぎて急加速中に電流スパイクが発生することなどが挙げられます。ドライブを交換する前に、絶縁抵抗計でモーターの絶縁抵抗を確認してください。モーターの巻線が短絡している場合、最初に特定しないとすぐに交換用ドライブが破損します。
• 過電圧フォルト: DC バス電圧がドライブの保護しきい値を超えたときに発生します。通常は、回生エネルギーを十分に速く吸収できない高慣性負荷の減速中に発生します。解決策には、減速率の低減、ダイナミック ブレーキ抵抗器の容量の追加または増加、アクティブ回生機能を備えたドライブの選択などが含まれます。過電圧障害は、電源電圧のスパイクによって引き起こされることもあります。高慣性減速なしで障害が発生した場合は、電力アナライザーで電源の品質を確認してください。
• エンコーダの障害: 位置フィードバック信号に問題があることを示します。エンコーダ ケーブルの破損、エンコーダ コネクタ ピンの損傷、エンコーダ電源の故障、またはエンコーダの故障です。まず、エンコーダ ケーブルの損傷、接続の緩み、または電源ケーブルなどの高 EMI 発生源の近くの配線を検査します。エンコーダ ケーブルは常に一端でシールドおよび接地し、電源ケーブルとは別に配線し、ストレイン リリーフなしでケーブル チェーンを通さないようにする必要があります。
• 次のエラー障害: 指令された位置と実際の位置の間の位置誤差が、設定された追従誤差制限を超えると生成されます。この障害は、モーターが指令された軌道に追従できないことを示します。原因は、機械的な障害物、モーターのトルク能力を超える負荷、モーターの物理的能力を超える速度または加速度コマンド、または指令された軌道を追跡するには低すぎる PID ゲインです。ドライブの内蔵スコープ機能を使用してコマンド位置トレースと実際の位置トレースを分析し、エラーが加速段階、定速段階、または減速段階のいずれで発生しているかを判断します。
• モーター過熱障害: 巻線温度が定格制限を超えると、モーターの熱保護センサーによってトリガーされます。原因としては、モーターの連続トルク定格を超えた連続動作、モーターの不適切な冷却 (換気の妨げ、周囲温度が高すぎる、冷却ファンの故障)、またはアプリケーションのデューティ サイクルに対してモーターのサイズが小さすぎることが挙げられます。この障害が冷却の問題によるものであると考える前に、モーターの熱時定数と連続トルク定格が実際のデューティ サイクルと互換性があることを確認してください。