ACサーボモータのサーボON、サーボロックとは

Question

ACサーボモータの取り扱い説明書に、
サーボON、サーボロックという言葉がでてきます。
この言葉の定義が今ひとつわかりません。
また、
サーボモータをサーボONして、回転させていないとき、
停止トルクがありますが、あれは、どのような方法で、
発生させているのでしょうか？
巻き線には、DC電流がながれているようなのですが、
詳しく原理的に教えてください。

追記です。
サーボONで、フィードバック制御がかかり、
停止している状態の一形態として、サーボロックというものがあり、
エンコーダ座標を保持する状態だそうです。
この時の、静止トルクをどのように生成しているというところが、
特にわかりません。

回答(1)への追記です。
例えば、回転子が停止した状態で、回転子のＳ・Ｎの磁極配置は、
決まります。
それに対し、最も引き合うような磁極配置となうように、
固定子巻き線に、DC電流をながすということでしょうか？
このとき、回転子がどの機械角度で停止しているかを、知る必要が
あると思います。
回転子の機械角に合うよう、3相にDC電流を流す必要があると、思います。
この時の、電流は、スイッチングされているのか、いないかという点も、
疑問です。

例えば、インクリメントタイプのエンコーダを持つACサーボの
場合、電源ON時、どのようにして、回転子の機械角度をサーボドライバ
側が、知りえるのかが、解りません。
電源OFF中に、モータの軸を回した時点で、サーボドライバ側は、
モータの回転子の角度情報を失うのに、どうして、回転子の機械角に合うよう、3相にDC電流を流すことができるのでしょうか？

さらに、回転開始のことになるのですが、
モーター回転開始についても同様で、３相PWMスイッチングを行う時、
固定子巻き線に、回転子の機械角度と会った位相で、正弦波電流を流す、必要があります。

回答(2)さんへの、追質問です。
紹介していただいた、HPはみていませんが、
インクリ、アブソタイプのエンコーダーの双方について、
ＲＳＴ極検出用の１回転３ｐｌｓの３相エンコーダは、
電源OFF中に、モータの軸を回しても、サーボドライバ側は、
モータの回転子の角度情報を失わないという観点から、
ＲＳＴ極検出用エンコーダは、アブソリュートなのでしょうか？

それと、最近のシリアル通信タイプでも、
ＡＢ相＋ＲＳＴ相の計５つの信号が出ているのでしょうか？

それと最後の疑問は、
ＲＳＴ極検出用の１回転３ｐｌｓなので、
角度分解能が機械角120度となり、電源ON時のサーボロックで、
停止させた時、任意の位置で回転子が、静止できる点が、
今ひとつ不明です。
120度単位で、回転子の位置が固定されるような気がするのですが・・・

回答（３）さんへ
静止トルクの生成法は、かなり複雑そうですね。
色々、細かな問題があるようで。
３相PWMブリッジにスイッチングで、各3相線電流を
微妙に調節しているような、イメージでしょうか？

私には、電源OFF後、モータ軸を任意の位置に回転させて、
再度、電源ON、サーボONした時に、きちんとその場で、ロックされることが、
とても疑問なのです。
サーボロックは現在のエンコーダの位置を保持するような、
フィードバックが、かかっていると思います。
ということは、電源ON時のローター角をINCタイプの
エンコーダーであっても、ABS並に検出する必要があるように、
思えて仕方ないのです。

回答（４）さんへ
いろいろ詳しく説明していただき、すいません。
紹介していただいた、HPをざっと見ましたが、解らない、理解できない
が、多かったです。
各種サーボモータがあるようですが、
今は３相電圧型PWMインバータを用いた、3相ACサーボで考えています。
ロータは磁石のシンクロナスタイプです。（かご型ではありません）

なお、私はブラシレスモータも理解していません。
DCサーボであれば、ロータ機械角の位相情報が不要なので、
私の持つ疑問は発生しません。

基本的には、3相ACサーボの場合、
位置ループがあり(位置パルス入力)、位置偏差を入力とする速度ループ、
速度偏差を入力とする、電流ループがあり、電流制御器にて、
電流制御(トルク制御)をしていると解釈しております。
電流制御器では、３相電圧型PWMインバータのスイッチングDutyを計算して
制御していると、解釈しています。
この時、DUTY計算には、3相の位相情報が必要ですから、
エンコーダからの機械角θを用いて、
座標変換(U,V,W->d,q、d,q->U,V,W等)を用いていると思うのです。
よって、一旦、ロータの機械角が絶対角度で詳細に解れば、
あとはINCエンコーダのパルスで追いかけることができます。

よって、回転中も、サーボロック中も、
高精度でロータの機械角がわかる必要があると思うのです。

「サーボロックする場合には３相エンコーダのみではできません
そのために位置ループがあります」
とのことですが、位置ループに使用するエンコーダは、
「位置決め用の１回転１０００ｐｌｓなり８１９２ｐｌｓなりのエンコーダ」
のことなのでしょうか？

又、「位置決め用の１回転１０００ｐｌｓなり８１９２ｐｌｓなりのINCエンコーダとＲＳＴ極検出用の１回転３ｐｌｓの３相エンコーダ」
を用いて、位置決め用ABSエンコーダと同様の機能が持たせれるのでしょうか？

Answer

質問者です。
最近、ACサーボ製造メーカの技術者の方に会ったので、聞いてみました。
インクリタイプのエンコーダであっても、1回転10000Pls以上の精度の、ABS
エンコーダを積んでいると、聞きました。
あくまで1回転内だけの角度を検出するもので、ABSタイプのエンコーダのような、何回回転したかということは、検出しませんが、精度はよいとのことです。
これより精度よく機会角θを検出できるそうです。
このθにより、サーボON時の電流をどう流すか、また回転開始時の、
正弦波PWMの角度の値を得ることができるそうです。

Answer

＃２です
>ＲＳＴ極検出用エンコーダは、アブソリュートなのでしょうか？
説明が不足していました　その通りアブソリュートエンコーダです
http://www.sumtak.co.jp/japanese/top.html
具体的には以下のようなエンコーダです（９０度位相差出力）
http://www.sumtak.co.jp/japanese/products/rotaryencoder/opticalencoders/irh3.html
http://www.sumtak.co.jp/japanese/products/rotaryencoder/opticalencoders/pdf/irm3.pdf
http://www.sumtak.co.jp/japanese/products/rotaryencoder/opticalencoders/pdf/irt3.pdf

>それと、最近のシリアル通信タイプでも、
>ＡＢ相＋ＲＳＴ相の計５つの信号が出ているのでしょうか？

シリアル通信タイプ
http://www.sumtak.co.jp/japanese/technicalinfo/endat/endat.html
http://www.sumtak.co.jp/japanese/technicalinfo/endat/endat.pdf
８／１５ページに
「付加情報２　磁極位置信号」
があります

また、各社サーボモータメーカがどこのメーカのエンコーダを内蔵しているかの
情報は開示されていません　
エンコーダのシリアル通信規格で業界統一規格も無かったと思いますので
実際にサーボモータのシリアル通信がどのようなプロトコルかは不明です

>ＲＳＴ極検出用の１回転３ｐｌｓなので、
>角度分解能が機械角120度となり、電源ON時のサーボロックで、
>停止させた時、任意の位置で回転子が、静止できる点が、今ひとつ不明です。

サーボモータには速度サーボと位置サーボとあります
速度ループ－－－＞位置ループ－－－＞位置決め制御
３相エンコーダは速度制御（トルク制御）の為に使います
http://www.orientalmotor.co.jp/cgi-bin/WebObjects/OMBLMotor.woa/wa/f3?bk=0&ls=&sid=5300&md=BLF230A%2D%5B%5D&gr=&gmd=

サーボロックする場合には３相エンコーダのみではできません
そのために位置ループがあります
位置制御用エンコーダで現在位置とのズレを検出してその差を修正動作させる事を
サーボロックと呼びます
つまり速度制御用エンコーダと位置制御用エンコーダと２種類あります
太古の昔のＤＣブラシ付きサーボとこの原理は変わりません
http://www.maxonjapan.co.jp/product_mmc.htm
http://elm-chan.org/works/smc/report_j.html
http://www.japanservo.jp/products/explanation.html
1999年10月　モータの基礎知識
http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2003/00134/contents/0027.htm

Answer

>静止トルクをどのように生成しているというところが，特にわかりません．

私も良く判りません．
ACサーボは，電流形PWM方式で制御しています．
インバーターのトランジスタ・スイッチング素子の組合せでは，
微妙な直流電流による励磁制御が無理で細かなスイッチングで励磁制御していると考えます．

■三菱電機　webより....※メンバー登録が必要です．
　└http://wwwf3.mitsubishielectric.co.jp/members/o_manual/servo/sh030037/sh030037g.pdf
　　└ACサーボ....MR-J3-□A 技術資料集
　　　└http://wwwf3.mitsubishielectric.co.jp/members/o_manual/servo/sh030037/sh030037g.pdf
　　　　└p244/419

第11章 特性
　　11.1 過負荷保護特性
　　サーボアンプには，～昇降軸のようにアンバランストルクが発生する機械では，
　　アンバランストルクが定格トルクの70％以下で使用することを推奨します．....とあります．

ACサーボのロックは，モーターにDC電流を流してロックしているのではなく，
表現は難しいのですが，常に位置修正するために非常に短いサイクルで励磁しているようです．

定位置￣￣＼　　↑￣￣＼　　↑￣￣＼　　↑￣￣
　　　　　　＼　│　　　＼　│　　　＼　│
　　　　　　　＼│　　　　＼│　　　　＼│
落下位置--------------------------------------

励磁電流　　　┌┐　　　　┌┐　　　　┌┐
　　　　───┘│┌───┘│┌───┘│┌──
　　　　　　　　└┘　　　　└┘　　　　└┘
励磁電流　　　　┌┐　　　　┌┐　　　　┌┐
　　　　────┘│┌───┘│┌───┘│┌─
　　　　　　　　　└┘　　　　└┘　　　　└┘
励磁電流　　　　　┌┐　　　　┌┐　　　　┌┐
　　　　─────┘│┌───┘│┌───┘│┌
　　　　　　　　　　└┘　　　　└┘　　　　└┘

位置ズレを起こさないように停止しているロック状態での励磁は，
励磁が１サイクル有るか無いかのような，パルス状だと思います．
また，各極均等に励磁されているのではなく，ある特定の極に集中して恐れもあります．

特定の極に励磁が集中しても過熱しないようにするため，
停止中の励磁電流の大きさは，定格励磁電流の70[％]以下にするように
三菱電機の取扱説明書は，指定しているのではないでしょうか？

三菱電機SEは，
停止中の励磁の大きさは停止位置が電磁石と永久磁石の停止位置の条件が悪いと
最大磁束で励磁し続ける必要があり，その平均値が定格を超えないように
励磁電流を最大値が70[％]を超えないような使い方をして欲しいと説明していましたが，
どうも説明内容が，シックリ来ません．

三菱電機さん，どうも励磁電流の抑制は，巻線温度の二乗平均法のような気がしますが....

Answer

>例えば、インクリメントタイプのエンコーダを持つACサーボの
>場合、電源ON時、どのようにして、回転子の機械角度をサーボドライバ
>側が、知りえるのかが、解りません。
>電源OFF中に、モータの軸を回した時点で、サーボドライバ側は、
>モータの回転子の角度情報を失うのに、どうして、回転子の機械角に合うよう、3相にDC電流を流すことができるのでしょうか？

ＡＣサーボモータのエンコーダは２種類内蔵されています（インクリ、アブソともに）
位置決め用の１回転１０００ｐｌｓなり８１９２ｐｌｓなりのエンコーダと
ＲＳＴ極検出用の１回転３ｐｌｓの３相エンコーダです
モータに３相電力を供給するのはこの３相エンコーダに合わせて出力します
コアの磁極のＲ相を追跡するように回転磁界を発生させます
例えばコアのＲ相に界磁コイルがＳ相を出力していたらトルクは出ません
誤解を恐れず乱暴に言えば３相のステッピングモータに近い動作です
（１パルス１２０度）
最近のＡＣサーボモータはインクリでもシリアル通信ですので
外部からはその信号は見えませんが古いタイプのサーボモータは
ＡＢ相＋ＲＳＴ相の計５つの信号が出ています

http://www.tamagawa-seiki.co.jp/japan/products/sensor/rotary.html
http://www.sumtak.co.jp/japanese/top.html
http://www.e-mechatronics.com/index2.html
http://www.orientalmotor.co.jp/
http://www.nagoya.melco.co.jp/index_j.htm
http://www.japanservo.jp/digital/general/a_bls/index.html
http://www.nagoya.melco.co.jp/fair/fa_basic/05/51ap02.htm

Answer

毎度ＪＯです。
ACサーボモータは、コントローラーで順次励磁を切り替えて回転させるのですが、
励磁を切り替えずに固定させると、Ｓ・Ｎ極で引き合い停止しようとします
これが停止状態で、これを「引き離して」回転させる力を停止トルクといいます。

ACサーボモータのサーボON、サーボロックとは