ステッピングモーター

ステッピングモーターは、ステップモーターまたはステッピングモーターとも呼ばれ、^[1]ブラシレスDC電気モーターであり、一連の小さな離散角度ステップで回転します。^{[2]ステッピングモーターは、}フィードバック用の位置センサーを必要とせずに、任意のステップ位置に設定できます。ステップ位置を急速に増減して連続回転を作成したり、モーターを特定のステップで積極的に位置を保持するように命令したりできます。モーターは、サイズ、速度、ステップ分解能、およびトルクが異なります。

スイッチドリラクタンスモーターは、極数が少ない非常に大型のステッピングモーターです。通常、閉ループ整流子を採用しています。

ブラシ付き DC モーターは、端子にDC 電圧が印加されると連続的に回転します。ステッピング モーターは、一連の入力パルス (通常は方形波) をシャフトの回転位置の正確に定義された増分に変換する特性で知られています。各パルスは、シャフトを一定の角度で回転させます。

ステッピング モーターは、実質的には、中央のローター (歯車の形をした鉄片) の周囲にステーターとして配置された複数の「歯付き」電磁石を備えています。電磁石は、外部のドライバ回路またはマイクロ コントローラによって通電されます。モーター シャフトを回転させるには、まず 1 つの電磁石に電力を供給し、ギアの歯を磁気的に引き付けます。ギアの歯が最初の電磁石と一列に並ぶと、次の電磁石からわずかにずれます。つまり、次の電磁石をオンにして最初の電磁石をオフにすると、ギアがわずかに回転して次の電磁石と一列に並びます。そこから、このプロセスが繰り返されます。部分的な回転のそれぞれは「ステップ」と呼ばれ、整数個のステップで 1 回転します。このようにして、モーターを正確な角度で回転させることができます。

電磁石の円形配置はグループに分けられ、各グループは位相と呼ばれ、グループごとに同数の電磁石があります。グループの数はステッピング モーターの設計者が選択します。各グループの電磁石は、他のグループの電磁石と交互に配置され、均一な配置パターンを形成します。たとえば、ステッピング モーターに A または B として識別される 2 つのグループがあり、電磁石が合計 10 個ある場合、グループ化パターンは ABABABABAB になります。

同じグループ内の電磁石はすべて同時に通電されます。このため、位相数が多いステッピング モーターでは、モーターを制御するためのワイヤ (またはリード線) の数が多くなるのが一般的です。

ステッピングモータには、永久磁石型、可変磁気抵抗型、ハイブリッド同期型の3つの主なタイプがあります。 ^{[1] [3]}

永久磁石モーターは、ローターに永久磁石(PM)を使用し、ローター磁石とステーター電磁石間の吸引力または反発力を利用して動作します。パルスにより、ローターは個別のステップで時計回りまたは反時計回りに動きます。最終ステップで電源が入ったままにしておくと、そのシャフト位置に強い戻り止めが残ります。この戻り止めには予測可能なバネ定数と指定されたトルク制限があり、制限を超えると滑りが発生します。電流が除去されても、より小さな戻り止めが残り、バネやその他のトルクの影響に対してシャフトの位置を保持します。その後、制御電子機器と確実に同期しながらステップを再開できます。

永久磁石ステッピング モーターには、シンプルな DC スイッチング エレクトロニクス、電源オフ デテント、位置読み出し機能がありません。これらの特性は、紙プリンター、3D プリンター、ロボットなどのアプリケーションに最適です。これらのアプリケーションでは、各モーターに指示されたステップ数をカウントするだけで位置を追跡します。

可変磁気抵抗（VR）モータは軟鉄製のロータ^{[4]を備えており、最小のギャップで最小の磁気}抵抗が発生するという原理に基づいて動作し、ロータポイントはステータの磁極に向かって引き寄せられます。可変磁気抵抗モータは電源投入時には戻り止めがありますが、電源切断時には戻り止めがありません。

ハイブリッド同期モータは永久磁石型と可変磁気抵抗型を組み合わせたもので、小型で最大の出力を実現します。^[5]

2 相ステッピング モーターの電磁コイルには、バイポーラとユニポーラ という 2 つの基本的な巻線配置があります。

ユニポーラ ステッピング モーターには、相ごとにセンター タップ付きの巻線が 1 つあります。巻線の各セクションは、磁場の各方向でオンになります。この配置では、共通ワイヤの極性を切り替えることなく磁極を反転できるため、整流回路は、各半巻線に対して 1 つのスイッチング トランジスタで済みます。通常、相が与えられると、各巻線のセンター タップが共通になります。つまり、相ごとに 3 つのリードがあり、一般的な 2 相モーターの場合は 6 つのリードがあります。多くの場合、これらの 2 相共通は内部で結合されているため、モーターのリードは 5 つだけです。

マイクロコントローラまたはステッピング モーター コントローラを使用して、ドライブトランジスタを正しい順序でアクティブにすることができます。この操作のしやすさから、ユニポーラ モーターは愛好家に人気があります。正確な角度の動きを得るには、おそらく最も安価な方法です。実験者は、PM モーターの端子線を一緒に触れることで巻線を識別できます。コイルの端子が接続されていると、シャフトを回転させるのが難しくなります。センター タップ (共通線) とコイル端線を区別する 1 つの方法は、抵抗を測定することです。共通線とコイル端線間の抵抗は、常にコイル端線間の抵抗の半分です。これは、両端間のコイルの長さが 2 倍で、センター (共通線) から端までは半分しかないためです。ステッピング モーターが動作しているかどうかをすばやく判断するには、2 組ごとに短絡させてシャフトを回してみることです。通常よりも高い抵抗が感じられる場合は、特定の巻線への回路が閉じており、位相が動作していることを示します。

バイポーラ モーターには、相ごとに 1 組の単一巻線接続があります。磁極を反転するには巻線の電流を反転させる必要があるため、駆動回路はより複雑で、通常はH ブリッジ構成になります (ただし、これを簡単にする市販のドライバー チップがいくつかあります)。相ごとに 2 つのリード線がありますが、どれも共通ではありません。

2 コイル バイポーラ ステッピング モーターの一般的な駆動パターンは、A+ B+ A− B− です。つまり、コイル A を正電流で駆動し、コイル A から電流を取り除きます。次にコイル B を正電流で駆動し、コイル B から電流を取り除きます。次にコイル A を負電流で駆動し (H ブリッジなどでワイヤを切り替えることで極性を反転します)、コイル A から電流を取り除きます。次にコイル B を負電流で駆動し (ここでもコイル A と同じように極性を反転します)、サイクルが完了して新たに始まります。

Hブリッジを使用した静摩擦効果は、特定の駆動トポロジーで観察されています。^[6]

モーターが応答できる周波数よりも高い周波数でステッパー信号をディザリングすると、この「静的摩擦」効果が軽減されます。

巻線の利用効率が高いため、同じ重量のユニポーラ モーターよりも強力です。これは、巻線が占める物理的なスペースによるものです。ユニポーラ モーターでは、同じスペースに 2 倍のワイヤが使用されていますが、一度に使用されているのは半分だけなので、効率は 50% (または利用可能なトルク出力の約 70%) です。バイポーラ ステッピング モーターは駆動が複雑ですが、ドライバー チップが豊富にあるため、これを実現するのはそれほど難しくありません。

8 リード ステッパーはユニポーラ ステッパーに似ていますが、リードはモーター内部で共通に接続されていません。この種類のモーターは、いくつかの構成で配線できます。

• 単極。
• 直列巻線を備えたバイポーラ。これにより、インダクタンスは高くなりますが、巻線あたりの電流は低くなります。
• 並列巻線のバイポーラ。より高い電流が必要ですが、巻線のインダクタンスが減少するため、パフォーマンスが向上します。
• 1相につき1つの巻線を持つバイポーラ。この方法では、利用可能な巻線の半分のみでモーターを駆動するため、利用可能な低速トルクは減少しますが、必要な電流は少なくなります。

多くの位相を持つ多相ステッピングモーターは、振動レベルがはるかに低い傾向があります。^[7]より高価ですが、電力密度が高く、適切な駆動エレクトロニクスを使用すると、アプリケーションに適していることがよくあります^[要出典]。

ステッピング モーターの性能は、駆動回路に大きく依存します。ステータ極をより速く反転できれば、トルク曲線をより高速に拡張できますが、制限要因は巻線インダクタンスの組み合わせです。インダクタンスを克服して巻線を素早く切り替えるには、駆動電圧を上げる必要があります。これにより、これらの高電圧によって発生する可能性のある電流を制限する必要がさらに生じます。

追加の制限は、多くの場合、インダクタンスの影響に匹敵する、モーターの逆起電力です。モーターのローターが回転すると、速度 (ステップ レート) に比例した正弦波電圧が生成されます。この AC 電圧は、電流の変化を誘発するために利用可能な電圧波形から差し引かれます。

L/R ドライバ回路は、一定の正または負の電圧が各巻線に印加されてステップ位置が設定されるため、定電圧ドライブとも呼ばれます。ただし、ステッピング モーター シャフトにトルクをかけるのは電圧ではなく巻線電流です。各巻線の電流 I は、巻線のインダクタンス L と巻線抵抗 R によって印加電圧 V と関連しています。抵抗 R は、オームの法則I=V/R に従って最大電流を決定します。インダクタンス L は、インダクタの式 dI/dt = V/L に従って巻線内の電流の最大変化率を決定します。電圧パルスの結果の電流は、インダクタンスの関数として急速に増加する電流です。これは V/R 値に達し、パルスの残りの間維持されます。したがって、定電圧ドライブで制御される場合、ステッピング モーターの最大速度はインダクタンスによって制限されます。これは、ある速度では、電圧 U が電流 I が追いつけないほど速く変化するためです。簡単に言えば、電流の変化率は L / R です (たとえば、2 オームの抵抗を持つ 10 mH のインダクタンスでは、最大トルクの約 2/3 に達するまでに 5 ミリ秒かかり、最大トルクの 99% に達するまでに約 24 ミリ秒かかります)。高速で高トルクを得るには、低抵抗および低インダクタンスで大きな駆動電圧が必要です。

L/R ドライブでは、各巻線に外部抵抗器を直列に追加するだけで、低電圧抵抗モーターを高電圧ドライブで制御できます。これにより、抵抗器で電力が浪費され、熱が発生します。したがって、シンプルで安価ではありますが、パフォーマンスの低いオプションと見なされます。

最新の電圧モード ドライバは、正弦波電圧波形をモータ位相に近似させることで、これらの制限の一部を克服しています。電圧波形の振幅は、ステップ レートとともに増加するように設定されています。適切に調整すると、インダクタンスと逆起電力の影響が補正され、電流モード ドライバに比べて適切なパフォーマンスが得られますが、電流モード ドライバの方が簡単な設計作業 (調整手順) が必要になります。

チョッパ駆動回路は、定電圧を印加するのではなく、各巻線に制御された電流を生成するため、制御電流駆動回路と呼ばれます。チョッパ駆動回路は、2 巻線バイポーラ モータで最もよく使用され、2 つの巻線は独立して駆動され、特定のモータ トルクを CW または CCW で提供します。各巻線では、方形波電圧 (例: 8 kHz) として「供給」電圧が巻線に印加されます。巻線のインダクタンスによって電流が平滑化され、方形波のデューティ サイクルに応じたレベルに達します。ほとんどの場合、バイポーラ供給 (+ および -) 電圧が巻線リターンを基準としてコントローラに供給されます。したがって、デューティ サイクルが 50% の場合、電流はゼロになります。0% の場合、一方向に完全な V/R 電流が流れます。100% の場合、反対方向に完全な電流が流れます。この電流レベルは、巻線と直列の小さなセンス抵抗器の両端の電圧を測定することでコントローラによって監視されます。これには、巻線電流を検知してスイッチングを制御するための追加の電子機器が必要ですが、ステッピング モータを L/R 駆動よりも高速で高トルクで駆動できます。また、コントローラは固定ではなく事前に決定された電流レベルを出力することもできます。この目的のための統合電子機器は広く入手可能です。

ステッピング モーターは多相AC 同期モーター(以下の理論を参照) であり、理想的には正弦波電流によって駆動されます。フル ステップ波形は正弦波の大まかな近似であり、モーターが大きな振動を示す理由です。正弦波駆動波形をより正確に近似するために、ハーフ ステップとマイクロ ステップというさまざまな駆動技術が開発されています。

この駆動方法では、一度に1つの相のみがアクティブになります。フルステップ駆動と同じステップ数ですが、モーターのトルクは定格より大幅に低くなります。めったに使用されません。上のアニメーション図は、波動駆動モーターです。アニメーションでは、ローターには25個の歯があり、1つの歯の位置で回転するのに4ステップかかります。したがって、25 × 4 = 1回転あたり100ステップ、各ステップは360 ⁄ 100 =3.6 °。

これは、モーターをフルステップで駆動する一般的な方法です。2 つの相は常にオンになっているため、モーターは最大定格トルクを供給します。1 つの相がオフになるとすぐに、もう 1 つの相がオンになります。ウェーブ ドライブと単相フルステップはどちらも同じもので、ステップ数は同じですが、トルクが異なります。

ハーフステップの場合、ドライブは 2 つの位相オンと 1 つの位相オンを交互に切り替えます。これにより、角度分解能が向上します。また、モーターはフルステップ位置 (1 つの位相のみがオン) ではトルクが低くなります (約 70%)。これは、アクティブ巻線の電流を増やして補正することで軽減できます。ハーフステップの利点は、ドライブ エレクトロニクスを変更する必要がないことです。上記のアニメーション図でハーフステップに変更すると、歯の位置 1 つ分回転するのに 8 ステップかかります。したがって、1 回転あたり 25×8 = 200 ステップとなり、各ステップは 360/200 = 1.8° になります。ステップあたりの角度はフルステップの半分です。

一般にマイクロステップと呼ばれるものは、多くの場合、巻線電流が正弦波AC波形に近似する正弦-余弦マイクロステップです。正弦-余弦電流を実現する一般的な方法は、チョッパ駆動回路を使用することです。正弦-余弦マイクロステップが最も一般的な形式ですが、他の波形も使用できます。 ^[8]使用する波形に関係なく、マイクロステップが小さくなると、モーターの動作がスムーズになり、モーター自体だけでなく、モーターが接続されている可能性のあるすべての部品の共振が大幅に減少します。分解能は、モーターとエンドデバイス間の機械的なスティクション、バックラッシュ、およびその他の誤差源によって制限されます。ギア減速機を使用して、位置決めの分解能を高めることができます。

ステップ サイズの縮小は、ステップ モーターの重要な機能であり、位置決めに使用される基本的な理由です。

例: 現代のハイブリッド ステップ モーターの多くは、モーターが指定された動作範囲内で動作している限り、各フル ステップの移動 (例: フル ステップあたり 1.8 度、または 1 回転あたり 200 フル ステップ) が他のフル ステップの移動の 3% または 5% 以内になるように定格設定されています。いくつかのメーカーは、ステップ サイズがフル ステップから 1/10 ステップに縮小されても、モーターがステップ移動サイズの 3% または 5% の均等性を容易に維持できることを示しています。その後、マイクロ ステップ除数が大きくなると、ステップ サイズの再現性が低下します。ステップ サイズを大きく縮小すると、動作がまったく発生しない前に多くのマイクロ ステップ コマンドを発行することができ、その後、動作が新しい位置への「ジャンプ」になる可能性があります。^[9]一部のステッパー コントローラー IC は、特に 1 つの位相のピーク電流パルスが非常に短い場合に、このようなステップの欠落を最小限に抑えるために電流を増加させます。

ステップ モーターは、共通分母を持たないように注意しながら、極数 (ローターとステーターの両方) を増やした同期 AC モーターと見なすことができます。さらに、ローターとステーターに多数の歯を持つ軟磁性材料を使用すると、極数を安価に増やすことができます (リラクタンス モーター)。最新のステッパーはハイブリッド設計で、永久磁石と軟鉄コアの両方を備えています。

定格トルクを完全に達成するには、ステッピング モーターのコイルが各ステップで定格電流を完全に流す必要があります。巻線のインダクタンスと、回転子の運動によって発生する逆起電力は、駆動電流の変化に抵抗する傾向があるため、モーターの速度が上がるにつれて、最大電流で流れる時間がどんどん短くなり、モーターのトルクが低下します。速度がさらに上がると、電流が定格値に達しなくなり、最終的にモーターはトルクを生成しなくなります。

これは、加速状態なしでステッピング モーターが動作しているときに生成されるトルクの測定値です。低速では、ステッピング モーターは適用されたステップ周波数と同期することができ、この引き込みトルクは摩擦と慣性を克服する必要があります。摩擦によって不要な振動が減少するため、モーターにかかる負荷が慣性ではなく摩擦であることを確認することが重要です。

プルイン曲線は、始動/停止領域と呼ばれる領域を定義します。この領域では、負荷がかかった状態で同期を失うことなく、モーターを瞬時に始動/停止できます。

ステッピング モーターのプルアウト トルクは、モーターを目的の速度まで加速し、次にモーターが停止するかステップを踏み損ねるまでトルク負荷を増加させることによって測定されます。この測定はさまざまな速度で行われ、その結果はステッピング モーターの動的パフォーマンス曲線を生成するために使用されます。以下に示すように、この曲線は駆動電圧、駆動電流、および電流スイッチング技術の影響を受けます。設計者は、定格トルクとアプリケーションに必要な推定全負荷トルクの間に安全係数を含めることができます。

永久磁石を使用する同期電動モーターは、電気的に駆動されていないときに共振位置保持トルク（デテント トルクまたはコギングと呼ばれ、仕様に含まれる場合もあります）を持ちます。軟鉄リラクタンス コアではこの動作は見られません。

モーターが 1 ステップ移動すると、最終的な静止点をオーバーシュートし、静止するまでその点の周りを振動します。この望ましくないリンギングは、モーターのローター振動として感じられ、無負荷のモーターではより顕著になります。無負荷または低負荷のモーターは、振動が同期の喪失を引き起こすほど大きい場合、停止することがあります。

ステッピング モーターには、固有の動作周波数があります。励起周波数がこの共振と一致すると、リンギングがより顕著になり、ステップが失われ、停止する可能性が高くなります。モーターの共振周波数は、次の式で計算できます。

${\displaystyle f={\frac {100}{2\pi }}{\sqrt {\frac {2pM_{h}}{J_{r}}}}}$

ここで、は保持トルク（N·m）、は極対数、 は回転子慣性（kg·m²）です。望ましくないリンギングの大きさは、回転子の速度から生じる逆起電力に依存します。結果として生じる電流は減衰を促進するため、駆動回路の特性が重要になります。回転子のリンギングは減衰係数で表すことができます。 ${\displaystyle M_{h}}$${\displaystyle p}$${\displaystyle J_{r}}$

ステッピング モーターの銘板には通常、巻線電流のみが記載されており、電圧と巻線抵抗が記載されている場合もあります。定格電圧は、DC で定格巻線電流を生成しますが、これはほとんど意味のない定格です。最新のドライバーはすべて電流制限されており、駆動電圧はモーターの定格電圧を大幅に超えるからです。

メーカーのデータシートには、インダクタンスが記載されていることがよくあります。逆起電力も同様に重要ですが、記載されることはほとんどありません (オシロスコープで簡単に測定できます)。これらの数値は、標準供給電圧から逸脱する場合、サードパーティのドライバ エレクトロニクスを適応させる場合、またはサイズ、電圧、トルク仕様が類似しているモーター モデルを選択する際に洞察を得る場合など、より詳細なエレクトロニクス設計に役立ちます。

ステッパーの低速トルクは電流に応じて変化します。高速時にトルクがどれだけ速く低下するかは、巻線のインダクタンスと、それが接続されている駆動回路、特に駆動電圧によって決まります。

ステッパーは、特定の駆動電圧または独自の駆動回路を使用して製造元によって指定された、公開されているトルク曲線に従ってサイズを決定する必要があります。トルク曲線の低下は共振の可能性があることを示しており、設計者はアプリケーションへの影響を理解する必要があります。

過酷な環境に適応したステップモータは、 IP65定格と呼ばれることが多い。^[10]

米国電機工業会（NEMA）は、ステッピングモーターのさまざまな寸法、マーキング、およびその他の側面をNEMA規格（NEMA ICS 16-2001）で標準化しています。^[11] NEMAステッピングモーターはフェースプレートのサイズでラベル付けされており、NEMA 17は1.7 x 1.7インチ（43 mm × 43 mm）のフェースプレートを持ち、寸法がインチで示されているステッピングモーターです。この規格には、フェースプレートの寸法がメートル単位で示されているモーターも記載されています。これらのモーターは通常、NEMA DDで参照されます。DDはフェースプレートのインチ単位の直径に10を掛けたものです（たとえば、NEMA 17の直径は1.7インチです）。ステッピングモーターを説明するためにさらに指定子があり、そのような詳細はICS 16-2001規格に記載されています。

コンピュータ制御のステッピング モーターは、モーション コントロール ポジショニング システムの一種です。通常、保持または位置決めアプリケーションで使用するために、 オープン ループシステムの一部としてデジタル制御されます。

レーザーと光学の分野では、リニアアクチュエータ、リニアステージ、回転ステージ、ゴニオメータ、ミラーマウントなどの精密位置決め装置に頻繁に使用されます。その他の用途としては、包装機械、流体制御システムのバルブパイロットステージの位置決めなどがあります。

商業的には、ステッピングモーターはフロッピーディスクドライブ、フラットベッドスキャナー、コンピュータープリンター、プロッター、スロットマシン、イメージスキャナー、コンパクトディスクドライブ、インテリジェント照明、カメラレンズ、CNCマシン、3Dプリンターに使用されています。プログラミング愛好家の中には、モーターをMIDIファイルに見られるシーケンスを模倣したさまざまな音色の周波数で回転するようにプログラムすることで、ステッピングモーターの配列を電子楽器として使用する人もいます。^{[12] [13]}

ステッピング モーター システムは、多くの場合、何らかのタイプのユーザー インターフェイス (ホスト コンピューター、PLC、またはダム ターミナル) と組み合わせられた 3 つの基本要素で構成されます。

インデクサー

インデクサー (またはコントローラ) は、ドライバーのステップ パルスと方向信号を生成できるマイクロプロセッサです。さらに、インデクサーは通常、他の多くの高度なコマンド機能を実行する必要があります。

ドライバー

ドライバ (またはアンプ) は、インデクサー コマンド信号を、モーター巻線に通電するために必要な電力に変換します。ドライバにはさまざまな種類があり、電圧と電流の定格や構造技術が異なります。すべてのドライバがすべてのモーターの動作に適しているわけではないため、モーション コントロール システムを設計する際は、ドライバの選択プロセスが重要です。

ステッピングモーター

ステッピング モーターは、デジタル パルスを機械的なシャフトの回転に変換する電磁装置です。

• 制御コストの低減を実現
• 始動時および低速時の高トルク
• 凹凸
• 構造のシンプルさ
• オープンループ制御システムで動作可能
• メンテナンスの手間が少ない（信頼性が高い）
• 失速やスリップの可能性が低い
• どのような環境でも動作します
• ロボット工学に幅広く応用できます。
• 高い信頼性
• モーターの回転角度は入力パルスに比例します。
• モーターは停止時に最大トルクを発揮します（巻線が通電されている場合）
• 優れたステッピング モーターは 1 ステップの 3 ～ 5% の精度を備えており、この誤差は 1 つのステップから次のステップまで累積されないため、正確な位置決めと動作の再現性が実現します。
• 始動・停止・後退時のレスポンスが優れています。
• モーターに接触ブラシがないため、信頼性が非常に高くなります。したがって、モーターの寿命はベアリングの寿命に完全に依存します。
• デジタル入力パルスに対するモーターの応答によりオープンループ制御が提供され、モーターの制御がより簡単かつ低コストになります。
• シャフトに直結した負荷で極低速同期回転を実現できます。
• 速度は入力パルスの周波数に比例するため、広範囲の回転速度を実現できます。

• 共振効果は低速時によく現れ、速度が上がるとトルクが減少する。^[14]

ファイナルドライブモーター

• マイクロコントローラなしでステッピングモーターを制御する
• Zaber マイクロステップ チュートリアル。2007 年 11 月 15 日に取得。
• ステッパー システムの概要。2023 年 7 月 20 日に取得。
• ステッピング モーターの制御 - チュートリアル - Douglas W. Jones、アイオワ大学
• NEMA モーター、RepRapWiki
• Dover Motionのステッピングモータードライブガイド