サーボモーターとステッピングモーターは、ロボット工学、オートメーション、CNC機械などの業界で最も一般的に使用されている2種類のモーターです。どちらもアクチュエーターとして機能しますが、どちらを選択するかは、トルク、速度、システム制御などのさまざまな性能要因によって異なります。

サーボモーター

サーボモーターは、加速度、速度、角度、直線位置を正確に制御できるという特長があります。サーボモーターは閉ループシステムであり、フィードバックによって性能を監視し、それに応じてモーターの位置を調整します。優れた精度と応答性により、サーボモーターは産業オートメーション、ロボット工学、CNC機械で広く利用されています。

利点：

  • 閉ループ制御による高精度・高精度。
  • 安定したトルク出力で高速運転が可能。
  • 高負荷時でもステップロスなく動作。
  • 必要な電流のみ消費するため、電力効率に優れています。

短所:

  • エンコーダやコントローラなどの追加コンポーネントにより、コストが高くなります。
  • セットアップが複雑になり、チューニングとキャリブレーションが必要になります。
  • メンテナンスもより高度なレベルが必要になります。

ステッピングモーター

一方、ステッピングモーターは明確なステップで動作するように作られています。オープンループシステムであるため、位置制御にフィードバックを必要とせずに動作します。3Dプリンター、繊維機械、その他の自動化プロセスなど、再現性と正確な位置決めが不可欠なアプリケーションでは、ステッピングモーターが頻繁に使用されます。

利点：

  • 精密制御を必要とするアプリケーション向けのシンプルで低コストなソリューションです。
  • 定電流を必要とせず、高い保持トルクを実現します。
  • フィードバックが不要なため、シンプルな制御システムです。
  • 低速・高トルクのアプリケーションに最適です。

短所:

  • 速度範囲が制限され、高速回転時にはトルクが急激に低下します。
  • 負荷がかかった状態ではステップが失われる可能性があり、エラーを修正する方法はありません。
  • 保持中でも継続的に電流を消費するため、電力効率が低くなります。

動作原理の比較

サーボモーターの動作原理

サーボモーターの動作原理

サーボモーターは、フィードバックループ（エンコーダなど）を使用して実際の位置を常に監視し、コントローラから送信される目標位置に基づいて位置を調整します。このフィードバックループにより、高精度が保証されます。モーターの速度とトルクは連続的に調整できるため、スムーズな動作が可能になります。

  • 閉ループフィードバックシステム：継続的に監視および調整します。
  • 制御信号：パルス幅変調（PWM）信号のデューティサイクルを変化させます。
  • モーターの種類：通常はDCブラシレスモーターまたはACモーターです。
  • エンコーダ：位置フィードバックに使用されます。

ステッピングモーターの動作原理

ステッピングモーターの動作原理

ステッピングモーターは、1回転を複数の段階（通常は1回転あたり200～400ステップ）に分割して動作します。各ステップには対応する回転角度があります。サーボモーターとは異なり、ステッピングモーターは動作を明確なステップに分割するため、位置フィードバックを必要としません。

  • オープンループ制御システム：フィードバック機構はありませんが、精密なステップ制御により精度を確保します。
  • ステップ角：1パルスあたりの回転角。200ステップモーターでは通常1.8°です。
  • 制御信号：モータードライブに送信されるパルスによってステップ数が決まります。

電流と消費電力

サーボモーターとステッピングモーターの電流要件は、動作原理と用途によって大きく異なります。

モータータイプ 動作電流 消費電力 電流制御方式
サーボモーター 可変（負荷に依存） アイドル時は低く、負荷時は高い傾向 フィードバックに基づくクローズドループ電流制御
ステッパーモーター 一定（負荷に関係なし） 一定電流のため全体的に高い オープンループ、フィードバックなし

 

  • サーボモーター：サーボモーターの消費電流は変動性が高く、負荷とトルクの要件に直接関係します。モーターが停止しているときや位置を保持していないときは、消費電力は少なくなります。しかし、負荷が重い場合は、フィードバックシステムが性能を維持するために電力を調整するため、消費電流が増加します。
  • ステッピングモーター：ステッピングモーターは負荷に関係なく一定の電流を消費します。この特性により、モーターが停止しているときや低負荷の場合でも、消費電力は高くなります。

トルクと速度の比較

トルクと速度は、特定の用途におけるモーターの適合性を判断する上で重要な要素です。

モータータイプ 最大トルク 高速時のトルク トルクリップル
サーボモーター 高い 高い 低い
ステッパーモーター 中程度 高速時は低い 高い

 

  • サーボモーター：サーボモーターは、高速回転時でも高いトルクを発生できることで知られており、速度とトルクの急激な変化が求められる動的なアプリケーションに最適です。連続フィードバックループによりトルクリップルが低く、スムーズな動作を実現します。
  • ステッピングモーター：ステッピングモーターは低速時には大きなトルクを発生しますが、速度が上昇するとトルクが大幅に低下します。この特性により、高速回転とトルクの両方が求められるアプリケーションへの適用は制限されます。ステッピングモーターにもトルクリップルが発生するため、サーボモーターに比べてスムーズな動作が得られません。

トルク-速度グラフの比較

違いを視覚的に確認するために、両タイプのモーターの典型的なトルク-速度曲線を見てみましょう。

  • サーボモーター：広い速度範囲にわたって、トルクは比較的一定です。
  • ステッピングモーター：速度が上昇すると、トルクは大幅に減少します。

システム制御の比較

システム制御は、サーボモーターとステッピングモーターの主な違いの一つです。サーボモーターは通常、閉ループ制御システムを使用しますが、ステッピングモーターは開ループ制御システムを採用しています。

モータータイプ 制御方式 精度 フィードバック
サーボモーター クローズドループ 非常に高い エンコーダ（位置フィードバック）
ステッパーモーター オープンループ 中程度 フィードバックなし

 

  • サーボモーター：サーボシステムは、通常エンコーダからのクローズドループフィードバックを使用して、位置と速度をリアルタイムで監視・調整します。これにより、特にリアルタイム調整が不可欠な動的かつ複雑なアプリケーションにおいて、高精度を実現できます。モーターが過負荷状態になったり、位置がずれたりすると、フィードバックシステムがそれを検出し、補正を行います。
  • ステッピングモーター：ステッピングモーターはオープンループ制御システムで動作し、コントローラーがモーターにパルスを送信して目的の位置に到達します。フィードバックがないため、システムはモーターが正しい位置に到達したかどうかを認識できません。そのため、予期しない負荷がかかった場合など、特定の状況下では、ステップミスや不正確な位置決めにつながる可能性があります。

極数の比較

ローターと連動して運動を生み出すモーターのステーター（固定子）の磁極の数を極数と呼びます。この数は、サーボモーターとステッピングモーターの両方の性能に大きな影響を与えます。

モータータイプ 一般的な極数 性能への影響
サーボモーター 少ない（6〜12極） 高速、低解像度
ステッパーモーター 多い（50〜200極） 低速、高解像度

 

  • サーボモーター：サーボモーターは通常、極数が少ない（6～12極）ため、はるかに高速で動作できます。ただし、極数が少ないため、ステッピングモーターと同じ分解能を実現するには、より複雑な制御機構が必要になる場合があります。
  • ステッピングモーター：ステッピングモーターは極数が非常に多く、多くの場合50～200極です。この高い極数により、モーターの位置をより細かく制御できます（高分解能）。ただし、モーターが達成できる最高速度には制限があります。

コスト比較

モータータイプ 初期コスト 運用コスト（エネルギー・保守） ライフサイクルコスト
サーボモーター $300 – $1100+ 低い（高効率、省エネ、中程度の保守） $500 – $2,000+
ステッパーモーター $50 – $300 中〜高（常時電力消費、低保守） $100 – $500

 

  • サーボモーター：初期費用とメンテナンス費用は高くなりますが、長期的にはエネルギー効率が高く、高速・高トルク用途で優れた性能を発揮します。厳しい環境下でも、長期的な投資収益率（ROI）は良好です。
  • ステッピングモーター：初期費用と運用コストが低いため、予算重視で性能要件が低～中程度の用途に最適です。高精度や動的な負荷処理を必要としない低速用途にも最適です。

アプリケーション特性

サーボモーターとステッピングモーターのどちらを選ぶかは、特定のアプリケーションと、トルク、速度、精度に対する要求によって大きく左右されます。

ステッパーとサーボのアプリケーション属性
応募要件 ステッパー サーボ 応募要件 ステッパー セリョ 応募要件 ステッパー サーボ 応募要件 ステッパー セリョ 応募要件 ステッパー サーボ 応募要件 ステッパー セリョ
最高のトルク密度 √ ディテントトルク √ 最高のトルク密度 √ ディテントトルク √ 最高のトルク密度 √ ディテントトルク √
最大のトルクと速度範囲 √ 慣性荷重最大30:1(J_load:Jm) √ 可能 最大のトルクと速度範囲 √ 慣性荷重最大30:1(J_load:Jm) √ 可能 最大のトルクと速度範囲 √ 慣性荷重最大30:1(J_load:Jm) √ 可能
オープンループ（標準） √ 慣性荷重最大200:1(J_load:Jm) 可能 DD+(右/左)* オープンループ（標準） √ 慣性荷重最大200:1(J_load:Jm) 可能 DD+(右/左)* オープンループ（標準） √ 慣性荷重最大200:1(J_load:Jm) 可能 DD+(右/左)*

結論

ステッピングモーターとサーボモーターにはそれぞれ長所と短所があります。トルク、速度、制御システムの複雑さといったアプリケーション要件によって、どちらのモーターを使用すべきかが決まります。

サーボモーターは、クローズドループ制御と様々な速度範囲にわたる高い性能により、高精度、高速、かつ動的な動作が求められる環境に適しています。一方、ステッピングモーターは、オープンループ制御で十分な低コスト、低速から中速のアプリケーションに適しています。