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¶ 空冷1.5kwスピンドルの購入
500Wスピンドルが低トルクかつ、3mm以上のエンドミルを使うとビビりまくって使い物にならなく感じてきたため、思い切ってインバータータイプのものを購入。
- 🛒 Amazon: 1.5kW級スピンドル＋VFDセットを探す（Amazon）（AliExpressの1店だけを当てにせず、品番・定格・入力電圧が合うものを突き合わせる用）
1.5kW級スピンドル＋VFDの要点
- 1.5kW（1500W）クラスは外径φ80mm前後が主流。φ65mmの細身タイプやφ100mmの2.2kWと混同しやすいので、Z軸のマウントブラケットは実測の外径で選ぶ。
- コレットはER11（最大7mm）／ER16（最大10mm）／ER20（最大13mm）の順に太い軸を挟める。今回の購入品はER11だが、6mm以上のエンドミルを本格的に使うならER20仕様を選んでおくと後で困らない。
- 定格は「400Hz／24,000rpm」型と「300Hz／18,000rpm」型がある。P00.00（メイン周波数）は本体ラベルに合わせる。24,000rpm機に300Hzを設定すると回らない。
- 空冷は本体ファンで冷やすため騒音が大きい（80dB超も普通）。水冷は静かで低速でも冷えるが、ポンプ（80W前後）＋ホース＋ラジエーターが要る。水冷にするなら冷却水は不凍液か精製水＋防錆剤にする。
- 入力は「単相」表記か「三相」表記かを必ず見る。日本の家庭は単相100Vか単相200Vで、三相200Vは来ていない。三相入力のVFDを買うと動かせない。
- φ80タイプは全長200mm以上が多く、Z軸のストロークとマウント位置が足りるか先に確認する。
送料込みで２万円強。Fedexでの輸送だが、発送までに2週間弱かかったため実質2週間強。トラッキングナンバーが嘘だったため時間稼ぎをしていた可能性もある。
¶ 内容物
1.5kwスピンドル EYS8043-24/1.50
インバーター YL620-A 110V品
コレット各種 φ1～φ7まで13種類
※電源ケーブル、インバーター-スピンドル間の接続ケーブルは付属しなかった。後述のノイズの問題によりシールド付きのケーブルが必要になると思われるため別途準備しておくと吉。
¶ マニュアル
https://bulkman3d.com/wp-content/uploads/2019/08/YL620-A-Inverter-Manual.pdf
¶ インバーターのバリエーション
見た目が同じようなインバーターが複数出回っているため、設定項目や端子の配置が違うものが多い。今回はパラメータコードが「Pxx.xx」表記のものだが、「PDxxx」というタイプもある。情報が錯綜しているため検索時は注意が必要。
VFD（インバーター）選びと電源まわり
- VFDの容量は定格より一回り大きいものを選ぶと余裕が出る。1.5kWスピンドルなら2.2kW（3HP）クラスが定石。
- 入力は単相100V／単相200V／三相200Vが混在する。日本の家には三相200Vが来ていないので、三相入力のVFDは選ばない。並行輸入品や中古は表記を確認する。
- 専用回路にする。単相200Vで1.5kWを回すと入力電流は10〜15A程度、単相100Vだと20A前後まで増えて電圧降下と発熱が厳しい。配線は2.0mm²以上、ブレーカーは単相200Vで20A程度を目安にする。
- VFD入力にはヒューズかサーキットブレーカを入れる。中国製VFDはスイッチングノイズが多く、電源ラインにEMIフィルタを1個入れるだけでも周囲のArduinoやWi-Fiの誤動作が減ることがある。
- VFD〜スピンドルはW/C V/B U/Aの相を合わせて結線する。逆回転ならU/V/Wのうち2本を入れ替える。パラメータで直すより早い。
- パラメータは「Pxx.xx」表記と「PDxxx」表記で番号体系が別物。ネットの設定例をそのまま写すと項目がずれるので、必ず手元のマニュアルの番号で確認する。
¶ 設定および動作確認（スタンドアローン）
インバーター内部のターミナルは2列あり、制御系端子が一列。電源、スピインドル関係が1列。
最低限の接続は100Vの電源（The Input N / L）の２本、スピンドルへの配線（Motor output W/C V/B U/A）の5本。
¶ スピンドルの制御周波数
スピンドル本体に動作周波数の記載がある。インバーター内に設定する必要があるためメモ。購入品は400Hzだった。
¶ 電源
インバーターに電源スイッチはない。通電＝動作なので中間スイッチ付きの電源コードがあるといいかも。
通電すると、「F 0.0」の点滅表示。
起動時はスピンドル動作の待機状態。設定画面に入るためには「PRGM」ボタンを押す。再度押すとスピンドル動作モードに戻る。
1.PRGMモード
PRGMモードに入ると「Pxx.xx」（xは任意の数字）という表示に代わる。上位２桁、下位2桁を「▲▼」ボタンで加減し、「DISP」ボタンで桁移動する。設定したいパラメータが選べたら「SET」ボタンでパラメータ変更画面に入る。さらに「▲▼」ボタンでパラメータを変更し、「SET」ボタンで記憶する。
以降、スピンドルのモデルによって数値は異なるが、変更する必要があるパラメータは以下の通り。詳細はマニュアルにて。
| パラメータコード | 内容 | 備考 |
|---|---|---|
| P00.00 | メイン周波数 | 今回の場合は400Hz |
| P00.01 | スタート・ストップコマンド元 | 回転のOn/OFFを何で制御するか 0:操作パネル 1:外部入力 REV/FWDのどちらかをGNDに短絡(制御パネルのSTOPボタンは有効) 2:外部入力 REV/FWDのどちらかをGNDに短絡(制御パネルのSTOPボタンは無効) 3:Rs485入力 |
| P00.04 | 最高出力周波数 | 400Hzの場合は400でいいと思う |
| P00.05 | 最高電圧出力周波数 | これも400Hzの場合は400でいいと思う |
| P00.06 | 最高出力電圧 | %なので100%でいいと思う |
| P00.07 | 中間周波数 | 周波数-回転数のカーブに合わせるためだと思うので200Hzとかで仮置きし後で修正 |
| P00.08 | 中間電圧 | 周波数-回転数のカーブに合わせるためだと思うので50%とかで仮置きし後で修正 |
| P00.09 | 最低周波数 | 周波数-回転数のカーブに合わせるためだと思うので10Hzとかで仮置きし後で修正 |
| P00.10 | 最低電圧 | 周波数-回転数のカーブに合わせるためだと思うので5%とかで仮置きし後で修正 |
| P03.06 | パネルの可変抵抗最低値 | 1024段階のいくつを最低にするか 0でもいいと思うが初期値は3 |
| P03.07 | パネルの可変抵抗最大値 | 1024段階のいくつを最大にするか 1024でもいいと思うが初期値は1020 |
| P03.08 | パネルの可変抵抗最低周波数 | 最低周波数をいくつにするか 初期値は0 |
| P03.09 | パネルの可変抵抗最大周波数 | 最大周波数をいくつにするか ここはたぶん400 |
| P03.10 | 入力1の下限値 | PWM入力のAD変換値のいくつを最低値とするか 初期値は3 |
| P03.11 | 入力1の上限値 | PWM入力のAD変換値のいくつを最低値とするか 初期値は1020 |
| P03.12 | 入力1の最低周波数 | PWM入力のAD変換値の最低値をいくつの周波数として扱うか 初期値は0 |
| P03.13 | 入力1の最大周波数 | PWM入力のAD変換値の最大値をいくつの周波数として扱うか ここは400 |
| P07.08 | 周波数ソース | 周波数をどの入力で可変させるか 0:操作パネル 1:プリセット周波数（P00.00の値） 2:設定値から（P07.00-P07.07に設定） 3:アナログ入力（P03.10-P03.13の設定に基づく） |
こんなところ。
上記設定を終えた状態でスピンドル制御モードに戻り、RUNボタンを押すと上部RUNランプが点灯する。この状態で可変抵抗を回すと周波数が変化しスピンドル回転数が追従するはず。
¶ 外部制御
今回はgrblを搭載したCNC Shieldと連動して回転数を制御する。
上記設定のP00.01を1の外部入力に設定し、FWD-GNDもしくはREV-GND間をジャンパすることで、電源投入時に直接RUNモードに入る。この時、CNC Shieldが0Vを出力していれば回転しないので問題がないという理屈。
インバーターの回転制御には0-5Vの入力を受け付けるタイプと0-10Vの入力を受け付けるタイプがある。
CNC Shieldは0-5V出力のため、0-10Vのインバーターを接続すると、最高出力にしてもスピンドルは最高回転数の半分の速度でしか回らないことになる。
その場合は
- 🛒 Amazon: PWM→0-10V 変換モジュールを探す（Amazon）（カエレバのXD-39と同じ向きのもの。逆向きの0-10V→PWMと間違えない）
このようなモジュールを挟むことで0-5Vを0-10Vに昇圧してくれる。ただしこの基板の電源として12Vが必要。
変換基板まわりのメモ
- 基板の12VはArduinoと同じ電源から分岐してもよいが、ノイズが回り込む場合は別のACアダプタに分ける。GNDは共通のままにする。
- 出力を0Vにしてもスピンドルが止まらない場合は、P00.09（最低周波数）とP00.10（最低電圧）を見直す。
¶ ノイズ
仮接続で動作を確認したところ、インバーターをRUNした瞬間に回転制御しているArduinoが暴走することが確認できた。
- RUNしなければ正常動作する
- RUNしてもスピンドルを接続しなければ正常動作する
ことからスピンドルとのケーブルからノイズが発生しているという認識。
インバータ-スピンドル間はシールド付きケーブルを使用することをお勧めするが、入手性はあまりよくない
- 🛒 Amazon: 4芯シールドケーブル（VFD〜スピンドル用）を探す（Amazon）（1.5kWなら0.75〜1.5mm²×3芯＋アースのシールド線が目安。長さは実測＋余裕で）
ノイズ対策の実務
- 動力線は3芯＋アースのシールド線にする。シールドはVFD側のアース端子に落とす。スピンドル側を浮かせるか両端接地にするかは、試して安定する方にする。
- 制御線（PWM／0-10V）は動力線と平行に這わさない。どうしても交差するなら直角にする。
- スピンドル本体のアースは必ず取る。フレームが浮いていると回転数がふらつき、Arduinoが巻き込まれて暴走する。
- フェライトコアを制御線と電源線に1〜2個通すだけでも変わる。PWM→0-10V変換基板で改善済みなら、次はVFD入力のEMIフィルタ、その次にケーブルのシールド化の順で試す。
¶ ノイズに対する解決策
VFD-モーター間のノイズはさておき、それ以前にArduino CNC Shield - VFD間を直結している時点で問題がありそう。
フォトカプラなどでの対応もありだが、現時点でスピンドルの回転数制御のために接続しているPWM-Analog0-10V変換モジュールを接続した場合はどうなるか確認したところ、誤動作することはなくなった。
ちなみに、ArduinoのPWM信号を直接入力した場合は、VFDのA/D変換の誤差により、周波数が細かく変動するが、変換基板を通した場合は滑らかに変化したため、どちらにせよPWM-Analog変換は挟んだ方がよさそう。
¶ 参考URL
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