ステッピングモーターの基礎を解説

ステッピング モーターは、最も基本的な仕組みとして、慎重に制御された順序でコイルに通電して正確な動きを生み出します。しかし、ステッピング モーターが基本的なレベルでどのように動作するかという疑問は、理解するのが難しい場合があります。このテーマについて深く掘り下げて、簡略化されたステッピングモーターの操作について説明し、次に NEMA17バイポーラ ステッピング モーター を分解して、これらの概念を実際に説明します。

ステッピング モーターの仕組み: 簡略化されたモーターの図解

簡略化されたバイポーラ ステッピング モーターの場合、2セットの電磁石のそれぞれがHブリッジによって制御されます。これにより、以下に示すように、極性をオンザフライで切り替えて、ローターの永久磁石の極を反発または引き付けることができます。

もう1つのバリエーションは、通電されたコイルと一直線に並ぶ磁化されていないコアを使用する可変リラクタンス モーターです。多くのステッパーは4つ以上のコイルを使用することに注意してください。

この図では、BとB1がリンクされており、Bが通電されると磁気の南極として機能し、B1が北極として機能して、ローターの位置が所定の位置に反転します。次に、A1が南に通電されてローターの北極を引き付け、Aが北に通電されて磁石の南極を引き付けます。これは、以下のパターンで概説されているように継続されます。この単一コイル パターンをグラフ化すると、パターンは波に似たものになり、「波駆動」シーケンスと呼ばれることがよくあります。

時計回りパターン（再開）

ステップ分解能が90º なので、これは実に非常に粗いステッピング モーターです。これを実現するもう1つの方法は、N極とS極を順番に隣り合わせにして、4つのコイルすべてに同時に通電することです。永久磁石ローターは、アクティブな電磁石の間、つまりそれらの結合された磁力の中心を指します。この全コイル操作では、単一コイル駆動設定よりも大きなトルクが生成されますが、完全に通電されている場合は2倍の電力が必要になります。

時計回りの順序は次のとおりです。

時計回りパターン（再開）

依然として90度のステップで移動していますが、両方のオプションを使用すると、4ステップではなく8ステップで2つをインターリーブできるようになります。これはハーフ ステップと呼ばれ、次の図に示されています。

より長いシーケンスはここには印刷されていませんが、同様の漸進的なステップの動きをたどります。特に、提示されたパターンは、反時計回りの方向に反転させることもできます。

最後に、マイクロステップの助けを借りて、マルチマグネットのセットアップをさらに進めることができます。このような構成では、各極はアナログ正弦波パターンで段階的に電力を供給されるため、これらの8つの個別のステップをさらに16、32、さらにはより小さな増分に分割できます。

NEMA 17: 1回転あたり200ステップ

上記で概説した単純な磁気配置に加えて、一般に入手可能なNEMA17ステッピング モーターは、1回転あたり200個の個別のフル ステップを備えています。これにより、1ステップあたり1.8º (360º/200) の単一ステップ解像度が得られます。一般的なNEMA17ステッパーには、円周上に交互に配置された8つのコイルがありますが、上の図に示すようなA、A1、B、B1のパターンで動作します。

モーター内部では、ローター磁石のN極とS極が軸方向に一列に並んでおり、両端に50歯のスチール キャップが付いており、永久磁石と可変磁気抵抗のハイブリッド動作が可能です。歯付きスチール キャップの各セットは、反対の極性のローターの対応するものと交互に配置されており、1回転あたり200ステップが可能になります。

ハーフステップを使用すると、0.9º の分解能を実現できますが、マイクロステップを使用すると、これらの分割数をさらに増やすことができます。ステッピング モーターは100ドルをはるかに下回る価格で製造、販売されることが多いことを考えると、これは驚くべき革新です。

NEMA 17ステッパー: 分解してさらに詳しく

NEMA17ステッパーは簡単に分解できます。モーターの背面にあるボルトを外し、シャフトをテーブルなどの硬い表面に叩きつけるだけです。破損のリスクは多少ありますが、安価なユニットを犠牲にすることは、ここでの目的を考えると十分に価値があるように思えました。私はさらに一歩進んで、筐体の上部に穴を開けて動作を確認しました。

下の最初の画像では、ステッパーの主要部分を見ることができます。左側は表示用に修正された下部のセクションです。ローターは中央にあり、前述のようにオフセット突起があり、スムーズな動作のために上部と下部にベアリングが付いています。メインの電磁石セクションは右側にあり、8つのコイルと、ローターを順番に引き付けたり反発したりするために使用される垂直の磁気歯突起があります。右下にある波形スプリングがローターをしっかりと固定しており、その向こう側には、部品を固定するいくつかのネジが部分的に隠れています。

次の2つの画像は、極性を示すために反転された小さなディスク磁石を備えたローターの詳細を示しています。次は、コイルと突起が付いたステータのクローズアップです。

すべてを（再び）まとめると、次の画像はローターとコイルが一列に並んだカットアウトビューを示しています。Arduino Unoとモーター シールドは、L293Dドライバー チップを使用してステッパーを順番にアクティブ化します。 これらのチップは、コイルをどちらの方向にも通電できる2つのHブリッジ回路を実装しているため、ステッパーでの使用に特に適しています。

L293Dモーター シールドは、この改造されたステッパーに接続され、Adafruitのモーター シールド テスト コードの改造バージョンを実行します (はるかに遅く、1回転あたりデフォルトの48ステップではなく200ステップ)。LED はコイル出力に取り付けられ、一方の方向には赤、もう一方の方向には青が点灯します。これにより、コイルの1つの方向では赤が点灯し、反対方向では青が点灯します。4つのステップ パターンを実行すると、電流の流れがわかりやすく視覚化されます。

バイポーラステッピングモーター: 便利なモーションコントロール

結局のところ、適切なドライバーとソフトウェアがあればステッピング モーターは普通はそのまま動作するので、ステッピング モーターの内部構造を考慮する必要はおそらくないでしょう。同時に、この記事がこれらの素晴らしいデバイスで何が起こっているのかについて、少しでも理解を深める助けになれば幸いです。使用にはいくつかの制限がありますが（サーボのようなフィードバックが組み込まれていないなど）、ステッパーは正確な回転制御に最適な選択肢となることがよくあります。

純粋な距離ではなく速度に基づいたフィードバックと調整が必要な場合は、PID制御設定の実装方法に関する記事をご覧ください 。