ステッピングモーターは、正確な動作制御が求められる様々な用途で利用される高精度機械です。しかしながら、ステッピングモーターの性能を最大限に引き出すには、様々な制御戦略を理解することが不可欠です。それぞれの制御手法の複雑さ、コスト、そして有効性は、アプリケーションのニーズによって異なります。

永久磁石ステッピングモーター TR019-P01

ステッピングモーターの種類

制御技術を詳しく検討する前に、ステッピングモーターの主な種類を理解する必要があります。モーターの種類によって制御戦略が異なるためです。

  • 永久磁石型（PM）ステッピングモーター：ローターに永久磁石を使用し、ステーターの電磁場によって駆動します。
  • 可変リラクタンス型（VR）ステッピングモーター：可変リラクタンスの原理に基づき、ローターは最小のリラクタンスで経路を辿ります。
  • ハイブリッド型ステッピングモーター：PM型とVR型ステッピングモーターの両方の特徴を組み合わせ、より高い精度と優れたトルク性能を実現します。
  • リニア型ステッピングモーター：回転運動を直線移動に変換し、直線運動アプリケーションでよく使用されます。

ステッピングモーターの一般的な制御方法

ステッピングモーターの動きを制御するために、いくつかの制御方法が用いられます。制御方法の選択は、精度、速度、トルク、消費電力、アプリケーションの複雑さなどの要因によって異なります。

ウェーブドライブ（単相オンドライブ）

ウェーブドライブは、ステッピングモーターの最もシンプルな制御方法の一つです。この方法では、一度に1つのステータ巻線のみに通電し、ローターをアクティブな巻線に合わせます。この方法はコスト効率が高く、消費電力が少なく、モーターの発熱を抑えます。ただし、同時にアクティブな巻線の数が少ないため、他の方法に比べてトルクは低くなります。


Pros


Cons

  • Simple implementation

  • Low power consumption

  • Reduced motor heating

  • Lower torque output

  • Less efficiency for high-precision applications

フルステップドライブ（2相オンドライブ）

フルステップドライブは、2つのステータ巻線を同時に通電することでウェーブドライブ方式を改良したものです。これにより、モーターは2つの巻線の磁界を組み合わせることができるため、ウェーブドライブに比べて高いトルク出力が得られます。モーターはフルステップで動作します。そのため、マイクロステップに比べて分解能は低くなりますが、超微細な位置決めを必要としない多くの一般的な用途に適しています。


Pros


Cons

  • Higher torque output

  • Simple implementation

  • Good for low-to-medium precision applications

  • Lower resolution compared to microstepping

  • Increased power consumption

ハーフステップ駆動

ハーフステップ駆動方式では、1つの巻線と2つの巻線に交互に電力を供給します。これにより、フルステップ駆動のトルクとマイクロステップの分解能のバランスが取れます。モーターはハーフステップで動作するため、フルステップ駆動に比べて分解能が実質的に2倍になります。この制御方法は、滑らかな動作とトルク出力のバランスを実現します。


Pros


Cons

  • Increased resolution (twice that of full step)

  • Moderate torque output

  • Reduced resonance effects compared to full-step drive

  • Slightly more complex to implement than full-step drive

  • Slightly lower torque when single winding is energized

マイクロステップ

マイクロステップは、ステッピングモーターの制御方法の中で最も先進的で広く普及しており、特に高精度でスムーズな動作が求められる用途で広く用いられています。マイクロステップでは、両方の巻線に電流が供給されますが、各巻線に流れる電流は正弦波状に変化し、モーターはより小さなステップ幅（マイクロステップ）で動作します。マイクロステップは、フルステップ動作と比較して、モーターの分解能を数百倍、あるいは数千倍にまで高めることができます。

マイクロステップは、最もスムーズな動作を実現し、ステッピングモーターによく見られる共振を最小限に抑えます。ただし、マイクロステップごとの実際のトルクは低下するため、モーターが大型でない限り、高トルクの用途には適していません。


Pros


Cons

  • Very high resolution

  • Smooth motion, ideal for precision applications

  • Minimizes vibration and resonance

  • Reduced torque per microstep

  • Requires more complex and costly control electronics

閉ループ制御（サーボ制御）

閉ループ制御を備えたステッピングモーターは、外部センサー（通常はエンコーダ）からのフィードバックを用いてモーターの実際の位置を追跡し、入力値を修正することで不正確さを修正します。この手法は、ステッピングモーターのオープンループ特性を閉ループシステムに変換し、ステッピングモーターを実質的にサーボモーターの一種に変換します。

閉ループ制御は、精度を向上させ、ステップ損失を低減し、より適切なトルク管理を可能にします。特に、モーターが変動する負荷にさらされ、正確な位置決めを維持することが重要なアプリケーションで有効です。閉ループ制御は性能を向上させますが、追加のセンサーとフィードバック機構が必要になるため、システムの複雑さとコストが増加します。


Pros


Cons

  • Increased accuracy and reliability

  • Avoid missed steps

  • Improved torque control under varying loads

  • More complex and more expensive system

  • Requires additional sensors and electronics

ステッピングモーターのパルス制御技術

ステッピングモーターは通常、パルスによって駆動され、パルス数によってモーターの動きと速度が決まります。以下は、ステッピング モーターを制御するために使用される主要なパルス制御技術です。

パルス幅変調（PWM）

ステッピングモーターは、PWM制御によってパルス幅が変調されるパルスによって駆動されます。PWM制御は、モーター巻線に供給される電圧と電流を制御するために使用され、トルクと速度の制御に役立ちます。PWMは、ステッピングモーターのスムーズな動作と微細な制御を実現するために、マイクロステップ制御でよく使用されます。

パルス方向制御

パルス方向制御では、一方の入力でステッピングモーターに供給されるパルス数を指定し、モーターのステップ数を制御し、もう一方の入力で回転方向（時計回りまたは反時計回り）を決定します。この方法は、CNC工作機械やロボットシステムにおいて、精密な位置制御のために広く使用されています。

結論

ステッピングモーターは、様々な用途に適した多様な制御方法を備えた汎用性の高いデバイスです。適切な制御方法を慎重に選択することで、ステッピングモーターの性能を最適化できます。ステッピングモーターメーカーは、お客様の特定のニーズに合わせて正確に製造することができます。