アナログ対 デジタルガルバノメータ技術– 紹介

著者： マシュー・テッドフォード、ジェレミー・バーク、アリ・ゴラブチ、マルテ・ヘメリッヒ

要約

新しいレーザーアプリケーションをビーム偏向ユニットと設計する際、ほとんどのエンジニアは光学設計（ミラーサイズ、コーティング、ミラー材料）を慎重に選択します。 これは、有効焦点距離、スポットサイズ、およびシステムの電力処理がすべて重要であるという意味です。 ただし、正しい電流計技術を選択することは、アプリケーションの全体的な達成可能なパフォーマンスにとっても同じくらい重要です。 このホワイトペーパーでは、アナログガルバノメーターとサーボユニットの利点と欠点、特にアナログガルバノメーターを使用したデジタルサーボテクノロジーを組み合わせたハイブリッドソリューションについて議論します。 各技術が達成可能な速度、精度、および統合の障壁に与える影響が調査されています。

ガルバノメーター - デジタル対 アナログ

ガルバノメーター（ガルボ）は、その中心部に、精密位置検出器（PD）が一方にあり、この文脈では、もう一方にはミラーがある、限定された回転 DCモーターです。 モーターのサイズや構造は異なる場合があり、ガルボの性能に影響を与えますが、位置検出器はその装置の主要な部品です。 長年にわたり、ガルバは、ローターシャフトと対向ミラーの位置を決定するために容量センサ、光センサ、エンコーダを使用してきました。 現代における最も一般的なPDは、この論文のこのセクションに焦点を当てる2つのフィードバックメカニズムである光センサーとエンコーダーです。
位置検出器用の光センサーは、2000 年代初頭からガルバノメーターで使用されています。 例を見るには、図 1を参照してください。 このPDは、NovantaのCambridge Technology 62xxKおよび83xxKシリーズのガルバノメーターで一般的に見られます。 モーターのロータシャフトにはバタフライが取り付けられており、ロータが回転すると、バタフライが光電池の一部を覆ったり、露出させたりします。 フォトセルは、ミクロアンペアのスケールで2つの電流を生成し、それらはサーボボードに送られ、その後、電流を電圧に変換してローターの角位置を決定します。 これに制御ループの残りの部分を組み合わせることで、サーボボードから提供されるコマンドに従いながら、ガルボの正確で安定した動作が保証されます。

この設計では、バタフライの低い慣性のため、PDは通常、ミラーサイズを選択する際の制限にはなりません。 それは、非常に良好な結果をもたらす3mmから100mmまでの大きさのミラーアパーチャと共に使用されてきました。 このデザインには他にも多くのポジティブな側面がありますが、主な欠点は2つあります。 最初は、PDが小さなマイクロアンペアの電流を返すため、ケーブルが適切にシールドされていない場合に電磁干渉（EMI）の影響を受けやすいということです。 ガルボのモーターリードには複数のアンペアの電流が存在する可能性があるため、不十分なシールドはノイズの信号からユニットの完全な故障につながる可能性があります さらに、4つのフォトセルが個別の部品であるため、ガルボが自己加熱または環境条件によって暖まると、その動きによって熱膨張によるシステムへの望ましくないスケールのドリフトが生じる可能性があります。 両方の問題は補償されていますが、それでも注意する必要があります。

デジタルPDとは対照的に、NovantaのCambridge Technology Lightning IIガルバスで使用されているもののように、エンコーダーディスクを使用しており、同じスケールのドリフトやEMIの懸念を受けない。 これはPDの設計に起因しています。エンコーダーがスケールディスクであるため、読み取りヘッドはディスクの熱膨張と収縮を無視します。なぜならそれは均一に変化するからです。 また、エンコーダが生成するサイン波とコサイン波信号はガルボでデジタル化されるため、サーボに送られるフィードバック信号はデジタルのみであり、ノイズへの感度が大幅に低減されます。 この設計では、エンコーダーの慣性により、ミラーアパーチャは14mmから50mmまでの範囲に及び、最高の性能を提供します。

サーボ– アナログ 対 デジタル

アナログサーボの制御ループでは、ガルボの性能を調整するために多数の可変抵抗器が使用されます この事実は、各サーボガルボペアに個別の調整プロセスが必要であり、工場外での個々のコンポーネントの調整変更や交換が非常に困難になります。 また、システムはチューニング用のポテンショメータを使用しているため、予測制御を行うために値をシステム制御に渡す方法はありません。
デジタルベースのサーボは柔軟であり、より高い精度を提供することができます。 これらのサーボの制御ループはファームウェア内に存在するため、追加のハードウェアが必要なく、寿命のどの時点でも変更や適応が可能です。 既存のデジタルサーボを新しいガルボに適応させることも、その逆も可能です。 アナログサーボは通常、位置、速度、および電流フィードバック信号を使用してガルボを制御しますが、デジタルサーボはフィードフォワード、モデリングなども使用して、より高度な制御を可能にし、さらにNovantaのScanPackのような予測制御に使用するために値を上位システムコントローラに渡すことができます。 ScanPackは、アプリケーションのニーズに基づいて精度と品質を優先します。 ベクトル、円、点、そしてスパイラルは、すべて最高のパフォーマンスのために高度にカスタマイズできます。

ハイブリッドシステム - アナログガルボとデジタルサーボ

デジタルガルバノが提供できる最高のドリフト性能や精度を必要としない、幅広いアプリケーションがありますが、デジタルサーボの再調整可能性と柔軟性から利益を得ることができます。 したがって、アナログガルボのコスト効果と頑丈な設計の利点をデジタルサーボの特典と組み合わせるという希望はかなり一般的です。 標準の62xxK/83xxKアナログガルボがアプリケーションの性能要件を満たし、アプリケーションがデジタルサーボによって提供される柔軟性を重視する場合、Novantaの近日発売予定のVersiaスキャンヘッドまたはデジタルサーボを備えたコンポーネントベースのソリューションが最適な答えとなる可能性があります。 前のセクションでサーボについて話したように、デジタルサーボがアプリケーションにもたらす価値は非常に大きいです。 デジタルサーボは、アナログガルボにスキャンパックを通じて追加のフィールドサービス性、柔軟性、および制御レベルを提供します。
これらの利点の1つは、サーボをガルボから切り離す能力です。 これは、フィールドサービスに関して、技術者が全体のセットを交換する必要がなく、ガルボまたはサーボを交換するだけで済む場合があることを意味します。また、アナログシステムでは工場に返送する必要があるのに対し、システムの再調整はフィールドで行うことができます。 修理の材料費を大幅に削減し、技術者の現場滞在時間やシステムの修理にかかる総時間を短縮します。
デジタルサーボのもう一つの利点は、初期統合時に提供する柔軟性のレベルです。 以前に述べたように、デジタルサーボは、シリアルナンバーを切り離すことで、システムの後段の設定可能性を高める可能性があります。 例として、サーボが機械のエンクロージャ内にある8mmおよび10mmのマーキングシステムを製造する生産ラインがあるとします。 アナログガルボとサーボを使用する場合、ガルボサーボペアが決して分離されないように注意する必要があります。 これは、材料が生産ラインを通る方法を制限する可能性があります。 デジタルサーボを使用すると、制御キャビネットを1つのラインに組み立て、スキャンヘッドを別のラインに組み立てることができます。最終的な機械に組み込まれるまで、それらがペアになり調整されることはありません。
また、アナログガルボとデジタルサーボをペアにすることで、回転用語はポテンショメーターのアナログ世界からデジタルの領域に移動します。 これは、チューニング用語の値がシステムのコントローラーに渡され、NovantaのScanMasterコントローラーなどで使用され、アプリケーションが次のレベルの精度と品質に移行できる予測制御に使用されることを意味します。 仕事を作成する人は、ガルボがベクトルやコーナーに入る速度を定義できるようになり、レーザーパルスの重なりを排除できます。 開発者は、円、螺旋、ポイントに対してより大きな制御を得ることができます。

予測制御 ScanPackが提供するより具体的な例を示すために、ほとんどのサーボは状態フィードバック制御スキームを使用する傾向があります。システムの帯域幅が十分に高くない場合、小さな円をマーキングする性能に影響を与える可能性があります。図 3を参照してください。 フィードバック制御と低帯域幅によって引き起こされる涙滴形状は、帯域幅を増やすことによって修正することができます（つまり、より速い調整）、しかし、そうするとシステムのノイズが増加します。

これを修正するためのより良い方法は、ScanPackが提供する円の高度な機能を使用することで行うことができます。 速度を制御することで、ガルバノメータは円内外に入り出る際のリードインとリードアウトの量と共に、完璧な円を実現することができます。図4を参照してください。 これにより、より小さな円ができるかもしれませんが、エラーは一定であり、簡単に補正できます。 このタイプの制御は、サーボで使用されるチューニング用語がわかっている場合にのみ行うことができます。

結論

要約すると、アナログとデジタルのガルバノメーターおよびサーボの3つの組み合わせは、アプリケーションのニーズに応じて利点を提供します。 これらの利点は、表 1で簡単に比較するためにまとめられています。

Novanta ベネフィッツ

Novantaは、高精度レーザーシステムを使用して製造プロセスを進化させたいOEM、システムインテグレーター、エンドユーザーの最も複雑な課題さえ解決するために独自の立場にあります。 業界で最も有名なブランドのいくつかと国内のアプリケーションおよびサービスサポートを備えて、Novantaは信頼性の高い、正確で耐久性のあるコンポーネントおよびサブシステムを提供しています。

当社のアプリケーションテストラボは、OEM、システムインテグレータ、材料メーカー、プロセッサ、および自動機械のエンドユーザにアプリケーションおよび概念のテストを提供しています。 Novantaのアプリケーションエンジニアはレーザー加工の専門家であり、成功と効率的なレーザー加工を確実にするパラメータを理解しています。 有名なNovantaブランドのレーザーとビームステアリング機器を使用し、当社のアプリケーションエンジニアは、望ましい結果を得るための主要な製品パラメータと処理ノウハウを決定します。