ネットワーク化された工場、ポータブルアプリケーションが新たな開発を推進
ステッピングモーターとは何ですか?
ステッピング モーターは、ステータ コイルに適用される外部駆動信号に応じて離散的なステップで移動するブラシレスDCモーター (BLDC) の一種です。ステッピング モーターは長い間存在してきましたが、新たな用途や業界のトレンドに応じて、新しい開発が今も行われています。
ステッピングモーターの歴史
ステッピング モーター の起源は19世紀の「電磁エンジン」にまで遡ります。ステッピング モーターの構造に関する重要な特許は1919年に付与され、1920年代には海軍の軍艦に実用化されました。しかし、最初の現代的なステッピング モーターの設計は1950年代に開発され、その後の10年間で人気を博しました。
ステッピングモーターはどのように動作するのでしょうか?
ステッピング モーターには通常、「位相」と呼ばれる2セットのステータ コイルが含まれており、これらは直交信号によって独立して駆動されます。各相を順番に通電すると、モーターは1ステップずつ回転し、ローターの歯を現在通電されているステーター コイルに合わせます。ほとんどのステッピング モーターの設計では、ローターとステーターの両方に磁石と歯が組み込まれており、ローターには永久磁石が、ステーターには電磁石が配置されています。モーターの速度は通電信号パルスの変化率に応じて変化し、回転方向はパルスシーケンスを反転することで変化します。この制御方式では、位置情報をコントローラにフィードバックする必要がないため、ステッピング モーターは本質的にオープン ループ デバイスです。
ステータ位相を駆動する方法には、使用する制御技術に応じて、フルステップ、ハーフステップ、マイクロステップなど、さまざまな方法があります。
図1: 産業用ステッピング モーターとコントローラーの選択。(出典: Arcus)
ステッピングモーターの利点と欠点
ステッピング モーターにはさまざまなサイズとスタイルがあり、すべてのモーターと同様に、ステッピング モーターには他のタイプと比較して利点と欠点があります。
プラス面としては、ステッピング モーターは低コスト、頑丈、組み立てが簡単で、信頼性が高いという点が挙げられます。オープンループであるため、駆動と制御が簡単です。ステッピング モーターは低速でも優れたトルクを提供し、同じサイズのブラシ モーターの連続トルクの最大5倍、または同等のブラシレス モーターのトルクの2倍になります。これにより、多くの場合、ギアボックスが不要になります。最後に、ステッピング モーターはサーボ モーターよりもフェイルセーフ性に優れており、コントローラー内部にどのような障害が発生しても暴走することはありません。サーボモーターとステッピングモーターの違いについて詳しくは、 ここ。
一方、ステッピングモーターにはいくつかの欠点があります。フィードバック要素がないということは、絶対位置がわからず、相対的なステップ位置のみがわかることを意味します。そのため、各ステップの欠落は増分エラーを表します。したがって、モーターは、電源投入時またはシステム リセット後に、通常は機械的な停止位置に到達するまで移動範囲全体にわたって動作させることによって、既知の位置にリセットする必要があります。さらに、位置決め精度は、使用される機械ギアやボールねじの精度に依存します。オープンループ操作では、減衰が困難な遅れ進み振動、特定のステップ周波数での共振効果、および比較的長い整定時間も発生する可能性があります。
ステッピング モーターは負荷条件に関係なく電流を消費するため、熱くなりやすく、速度による損失が比較的大きく、過度の加熱を引き起こす可能性があり、特に高速時にはノイズが多く発生します。マイクロステップを使用しない限り、低速でのパフォーマンスは粗く、速度が上がるにつれて電流をタイムリーに変化させるために連続的に高い電圧が必要になるため、高速アプリケーションには最適ではありません。
ステッピングモーターの最近の進歩
ステッピングモーターは1960年代から人気がありますが、技術が停滞しているわけではありません。ステッピング モーターとその制御システムの多くの側面は、長年にわたって着実に改善されてきました。特に、1970年代のマイクロ ステップの発明、およびその10年後の商用コントローラーの登場が顕著です。ここでは、ステッピング モーターの開発における最新のトレンドを4つ紹介します。
閉ループステッピングモーター制御
強力で低コストのマイクロコントローラとベクトルまたはフィールド指向（FOC）制御戦略の出現により、 モーションコントローラ エンコーダフィードバックを使用してステッピングモーターを動作させることができるため、閉ループステッピングモーター制御が可能になり、上記の欠点の多くを改善できます。
ステッピング モーターによるクローズド ループ制御の利点には、オープン ループ ステッピング モーターに比べて速度の滑らかさが大幅に向上し、消費電力が削減されるほか、従来の3相ブラシレス サーボ モーターに比べて低速でのトルクが大幅に高くなることが挙げられます。さらに、閉ループ システムは、ステップミスの位置エラーを検出して修正できます。
閉ループ ステッピング モーターの用途には、半導体装置、ロボット工学、繊維機械、試験および検査システム、巻き取り機などがあります。
小型ステッピングモーターの用途
コネクタからバッテリー、モーターに至るまで、ほぼすべての電子機器に影響を与えている傾向の1つは、デバイスの小型化と軽量化への避けられない動きです。デスクトップ マシンは今では持ち運び可能で、以前は専用のスペースを必要としていた機器は、今では車輪付きのカートで移動できます。これにより、コンポーネントはますます小型化しており、ステッピング モーターも例外ではありません。
図2: リニアアクチュエータと統合レンズを備えた小型ステッピングモーター。(出典: Elabz)
小型のステッピング モーターは、それに応じて小型の機械アクセサリにつながります。図2は、HP DVDドライブのレーザー レンズを動かすリニア アクチュエータとして機能する、リード スクリューが組み込まれた小型ステッピング モーター アセンブリを示しています。アセンブリ全体は、直径わずか17.9 mmの10セント硬貨に快適に収まります。
ネットワーク化されたステッピングモーターアセンブリ
現代の自動化された工場では、工場フロア全体に分散された複数の作業セルが使用され、フィールドバス、イーサネット、CANなどの産業用ネットワーク プロトコルを介して通信するプログラマブル コントローラーによって実行されます。ネットワークにより、重要かつ時間に敏感なデータと情報がさまざまな分散制御間で容易に流れるようになり、高度に統合されながらも独立した制御システム作業セルが実現します。
効率性の向上、配線の簡素化、モジュール式の拡張性、トラブルシューティングの容易化、小型化を絶えず追求する中で、インテリジェンスを信号チェーンのできるだけ下まで押し進める傾向があり、その結果、ステッピング モーター、エンコーダー、(閉ループ動作に必要な場合) モーター ドライブ、ネットワーク インターフェイスを1つのユニットにまとめた統合ステッピング モーター ソリューションが開発されました。
従来のステッピング モーターでは、エンコーダー、ドライバー、コントローラーを合わせると20本以上の配線接続が必要になるため、エラーが発生する可能性が高くなります。この新しいアプローチにより、OEMには、設置の迅速化、電気ノイズの可能性の低減、設置面積の縮小、設置コストの削減、トラブルシューティングの容易化など、数多くのメリットがもたらされます。エンドユーザーにとってのメリットとしては、信頼性の向上、交換の容易化、稼働時間の延長、生産性の向上などが挙げられます。
ただし、欠点もいくつかあります。統合型ステッピング モーターの初期コストは高く、1つのコンポーネントに障害が発生した場合でもユニット全体を交換する必要があるため、交換コストも高くなります。統合ステッピング モーターの多くのメーカーは、電子機器の故障の主な原因である熱の発生を抑えるために、モーターの出力をわずかに下げています。さらに、統合型ステッピング モーターの選択肢は、バンドルされていないものよりも制限される可能性があります。
ステッピングモーターの故障を防ぐ
多くのステッピング モーターは安全性が極めて重要なアプリケーションで動作し、障害が発生するとシステムの重大な誤動作につながる可能性があります。例としては、航空宇宙、医療、輸送、軍事、原子力の分野が挙げられます。このような障害の可能性を減らすには、フォールト トレラント設計 (システムのコンポーネントの1つに障害が発生してもシステムは正常に動作し続ける) や冗長設計 (すべての重要な操作を2つ以上の重複システムで実行する) の概念など、さまざまな方法があります。
大規模なインストールの場合、重複したシステムが可能になる場合がありますが、スペースが制限されている多くのアプリケーションではこれが実現できない可能性があります。ステッピング モーターの観点から見ると、フォールト トレランスとは次のような機能を意味します。
- 同じシャフトに同一のモーターセグメントを使用することで冗長性が向上し、
- 相間短絡を防止するために電気的に分離された相、
- 他の相が故障した場合に性能低下を回避するために磁気的に結合されていない巻線、および
- 物理的に分離された相により、隣接する相への障害の伝播を防ぎ、断熱性を高めます。
この分野における最近の進歩は、互いに独立しているが通常はデフォルトで接続されている4つの巻線を備えた小型のフォールト トレラント2相ステッピング モーターの開発です。ただし、フォールト トレラント設計では、4つの巻線が互いに電気的に分離されており、物理的および電気的に分離された位相を持つ2つの2相ステッピング モーターが作成されます。
巻線は部分的にのみ磁気的に結合されており、冗長構成では標準構成に比べてトルクが約30パーセント減少しますが、相電流を増やすことでこれを補うことができます。多くの小型モーターは、医療機器、航空宇宙、フォトニクスなどの用途を対象としています。
適切なステッピングモーターの選択
Arrowはステッピング モーターを制御するためのさまざまなソリューションを提供しています。テキサス・インスツルメンツ例えば、新しい DRV8800 —1/16マイクロステップ インデクサーとAutoTune機能を備えた2Aステッピング モーター ドライバー。ステッピング モーターを最適な電流制御パフォーマンスに自動的に調整し、モーターの変動や経年変化の影響を補正します。
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マイクロチップ ステッピングモーター駆動開発キットなど、幅広いポートフォリオも備えています。 dsPICDEM MCSM開発ボードは、オープンループ モードまたはクローズドループ モードでユニポーラ ステッピング モーターとバイポーラ ステッピング モーターの両方を制御することを目的としています。フルまたは可変マイクロステップを使用してオープンループまたはクローズドループでモーターを実行するソフトウェアと、ステップ コマンド、モーター パラメーター入力、および動作モードを制御するためのGUIが提供されます。