ステッピングモーターの加減速制御

ステッピングモーター動作原理
通常、モーターのローターは永久磁石です。ステーター巻線に電流が流れると、ステーター巻線はベクトル磁界を生成します。この磁界はローターを一定角度回転させ、ローターの一対の磁界の方向がステーターの磁界の方向と一致するようにします。ステーターのベクトル磁界が一定角度回転すると、

ステッピングモーター誘導モーターの一種で、その動作原理は電子回路を使用し、直流電流を時分割電源に流し、多相タイミング電流を制御します。この電流をステッピング モーター電源に流すと、ステッピング モーターは正常に動作します。このドライバーは、ステッピング モーター時分割電源、多相タイミング コントローラー用です。

電気パルスを入力するたびに、モーターは1ステップずつ角度を進めます。出力角変位は入力パルス数に比例し、速度はパルス周波数に比例します。巻線への通電順序を変えると、モーターは逆回転します。つまり、パルス数、周波数、そしてモーター巻線の各相への通電順序を制御することで、ステッピングモーターの回転を制御できます。

一般的なステッピングモーターの精度はステップ角度の3～5％であり、累積しません。

ステッピングモーターのトルクは、速度が上昇するにつれて減少します。ステッピングモーターが回転すると、モーター巻線の各相のインダクタンスに逆電位が発生します。周波数が高いほど、逆電位も大きくなります。その結果、モーターの周波数（または速度）が上昇し、相電流が減少し、トルクが減少します。

ステッピングモーターは低速では正常に動作しますが、一定の速度を超えると起動せず、笛のような音が伴います。

ステッピング モーターには、無負荷始動周波数という技術的なパラメーターがあります。つまり、無負荷パルス周波数の場合、ステッピング モーターは正常に始動できますが、パルス周波数がこの値よりも高い場合、モーターは正常に始動できず、脱調やブロックが発生する可能性があります。

負荷がある場合、始動周波数は低くする必要があります。モーターを高速回転させる場合は、パルス周波数に加速プロセスが必要です。つまり、始動周波数は低く、その後、一定の加速度で所望の高周波数（モーター回転速度は低速から高速へ）まで上昇します。

なぜステッピングモーター速度を落として制御する必要がある
ステッピングモーターの速度は、パルス周波数、ローターの歯数、およびビート数に依存します。角速度はパルス周波数に比例し、パルスと同期します。したがって、ローターの歯数と動作ビート数が一定であれば、パルス周波数を制御することで所望の速度を得ることができます。ステッピングモーターは同期トルクを利用して始動するため、ステップ外れを防ぐため、始動周波数は高くありません。特に出力が増加すると、ローターの直径が大きくなり、慣性が増加するため、始動周波数と最大動作周波数の差が最大10倍になる場合があります。

ステッピングモーターの始動周波数特性により、ステッピングモーターは始動後すぐに動作周波数に到達せず、低速から徐々に動作周波数まで上昇する起動プロセスを経て停止します。停止時に動作周波数がすぐにゼロに低下せず、高速から徐々にゼロまで減速するプロセスを経て停止します。

そのため、ステッピングモーターの動作は、一般的に加速、等速、減速の3段階を経る必要があります。加速と減速の過程は可能な限り短く、等速の時間は可能な限り長くする必要があります。特に高速応答が求められる作業では、開始点から終了点までの動作時間が最短であるため、加速と減速の過程は最短で、等速では最高速度を実現する必要があります。

加減速アルゴリズムは、モーションコントロールにおける重要な技術の一つであり、高速・高効率を実現するための重要な要素の一つです。工業用制御において、一方では処理プロセスがスムーズで安定しており、柔軟性の影響が小さいことが求められ、他方では応答時間が短く、反応が速いことが求められます。制御精度を確保し、処理効率を向上させることを前提に、スムーズで安定した機械動作を実現することが、現在の工業用処理における重要な課題の解決となっています。現在のモーションコントロールシステムで一般的に使用されている加減速アルゴリズムには、主に台形曲線加減速、指数曲線加減速、S字曲線加減速、放物線加減速などがあります。

台形曲線の加速と減速
定義: 一定の比率で直線的に加速/減速（開始速度から目標速度までの加速/減速）

計算式：v(t)=Vo+at

長所と短所：台形曲線は、アルゴリズムがシンプルで、時間が短く、応答が速く、効率が高く、実装が容易という特徴があります。ただし、等速加速と等速減速の段階はステッピングモーターの速度変化の法則に従わず、可変速と等速間の遷移点が滑らかではありません。そのため、このアルゴリズムは主に、加減速プロセスに対する要件がそれほど高くないアプリケーションで使用されます。

指数曲線の加速と減速
定義：指数関数による加速と減速を意味します。

加減速制御評価指標：
1、機械の軌道と位置の誤差は可能な限り小さくする必要がある

2、機械の動作プロセスはスムーズで、ジッターは小さく、応答は速いです

3、加速と減速のアルゴリズムは可能な限り単純で、実装が容易で、リアルタイム制御の要件を満たすことができる必要があります。

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