ステッピングモーターの加速および減速制御

ステッピングモーター動作原理
通常、モーターの回転子は永久磁石です。固定子巻線に電流が流れると、固定子巻線はベクトル磁場を生成します。この磁場により、回転子は角度だけ回転し、回転子の一対の磁場の方向が固定子の磁場の方向と一致します。固定子のベクトル磁場が角度だけ回転すると、

ステッピングモーターこれは誘導電動機の一種で、その動作原理は電子回路を使用し、直流電流をタイムシェアリング電源に変換し、多相タイミング制御電流を供給し、この電流でステッピングモーターに電源を供給することで、ステッピングモーターが正常に動作できるようにするものです。ドライバーは、ステッピングモーターのタイムシェアリング電源、多相タイミングコントローラーです。

入力される電気パルスごとに、モーターは1ステップ分回転します。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。巻線の通電順序を変更すると、モーターは逆方向に回転します。このように、パルス数、周波数、および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、累積誤差はありません。

ステッピングモーターのトルクは、回転速度が増加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よって逆電位が発生します。周波数が高いほど、逆電位は大きくなります。この逆電位の作用により、周波数（または速度）が増加するモーターでは相電流が減少し、結果として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、一定速度を超えると起動せず、笛のような音を伴います。

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パラメータがあります。これは、無負荷時のパルス周波数がステッピングモーターを正常に始動できるかどうかを示すもので、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。

負荷がかかる場合は、始動周波数を低くする必要があります。モーターを高速回転させるには、パルス周波数に加速プロセスが必要です。つまり、始動周波数を低く設定し、一定の加速度で所望の高周波数（モーター速度が低速から高速へ）まで上昇させる必要があります。

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、ローター歯数、およびビート数によって決まります。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、ローター歯数と回転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によって始動するため、ステップを失わないように始動周波数は高くありません。特に、出力が増加すると、ローター径が大きくなり、慣性が大きくなるため、始動周波数と最大回転周波数は最大で10倍も異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は、ステッピングモーターが始動時に動作周波数に直接到達するのではなく、始動プロセス、つまり低速から徐々に動作速度まで上昇するプロセスがあることを意味します。停止時にも動作周波数はすぐにゼロに低下するのではなく、高速から徐々に速度を下げてゼロにするプロセスがあります。

したがって、ステッピングモーターの動作は一般的に、加速、定速、減速の3段階を経る必要があり、加速および減速プロセスはできるだけ短く、定速時間はできるだけ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必要があり、そのためには加速および減速プロセスが最短で、定速時の速度が最高であることが求められます。

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、高速かつ高効率を実現するための重要な要素の一つです。産業制御においては、一方では、処理プロセスがスムーズかつ安定しており、柔軟性の影響が小さいことが求められます。他方では、応答時間が速く、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、スムーズで安定した機械的動作を実現することは、現在の産業プロセスにおいて解決すべき重要な課題です。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、放物線曲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／減速すること（開始速度から目標速度までの加速／減速）。

計算式：v(t)=Vo+at

利点と欠点：台形曲線は、アルゴリズムがシンプルで、処理時間が短く、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。しかし、等速加速および等速減速段階はステッピングモーターの速度変化法則に適合せず、可変速度と等速間の遷移点が滑らかになりません。そのため、このアルゴリズムは、加速および減速プロセスに対する要求が高くないアプリケーションで主に使用されます。

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．機械の軌道および位置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、ジッターが小さく、応答が速い。

3．加減速アルゴリズムは、可能な限りシンプルで実装が容易であり、リアルタイム制御の要件を満たすものでなければならない。

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