ステッピングモータの基本: タイプ、用途、および動作原理

MPS ELECTRONICS

Carmine Fiore

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本稿では、ステッピングモータの基本について説明します。ステッピングモータの動作原理、構造、制御方法、使用法、種類、およびその長所と短所について学習します。

ステッピングモータの基本

ステッピングモータは電気モータであり、その主な特徴は、そのシャフトがステップ、つまり一定の角度だけ移動することを複数回実行することによって回転することです。この機能は、モータの内部構造のおかげで得られ、センサを必要とせずに、ステップがどのように実行されたかを数えるだけで、シャフトの正確な角度位置を知ることができます。この機能により、幅広いアプリケーションに適合します。

ステッピングモータの動作原理

すべての電気モータと同様に、ステッピングモータには固定部分 (固定子) と可動部分 (回転子) があります。固定子にはコイルが配線された歯があり、回転子は永久磁石または可変磁気抵抗鉄心のいずれかです。後で、さまざまなロータ構造について詳しく説明します。図1は、モータの断面を表す図を示しています。ここで、ロータは可変磁気抵抗の鉄心です。

図1: ステッピングモータの断面

ステッピングモータの基本的な動作原理は以下のとおりです。1つまたは複数の固定子相に通電することにより、コイルに流れる電流によって磁場が生成され、回転子はこの磁場と整列します。異なる相を順番に供給することにより、ロータを特定の量だけ回転させて、目的の最終位置に到達させることができます。図2に、動作原理を示します。最初に、コイルAが通電され、ロータはそれが生成する磁場と整列します。コイルBに通電すると、ロータが時計回りに60°回転し、新しい磁場に合わせます。コイルCが通電されている場合も同じことが起こります。写真では、固定子の歯の色は、固定子巻線によって生成される磁場の方向を示しています。

図2: ステッピングモータのステップ

ステッピングモータの種類と構造

分解能 (またはステップサイズ)、スピード、トルクという意味におけるステッピングモータの性能は、構造の詳細に影響され、同時にモータの制御方法にも影響を受ける可能性があります。実際のところ、ロータと固定子の構成が異なるため、すべてのステッピングモータが同じ内部構造 (または構造) を持っているわけではありません。

ロータ (回転子)

ステッピングモータの場合、基本的に3種類のロータがあります。

永久磁石ロータ: 回転子は永久磁石で、固定子回路によって生成される磁場と整列します。このソリューションは、良好なトルクと戻り止めトルクを保証します。これは、コイルが通電されているかどうかに関係なく、モータは、それほど強くはないにしても、位置の変化に抵抗することを意味します。このソリューションの欠点は、他のタイプと比較して速度と解像度が低いことです。図3は、永久磁石ステッピングモータの断面図を示しています。

図3: 永久磁石ステッピングモータ

可変磁気抵抗ロータ: ロータは鉄心でできており、磁場と整列できるように特定の形状をしています ( 図1および図2)を参照) 。このソリューションを使用すると、より高速で解像度を上げるのが簡単になりますが、発生するトルクが低くなることが多く、戻り止めトルクがありません。
ハイブリッドロータ: この種のロータは特定の構造を持っており、永久磁石と可変磁気抵抗バージョンのハイブリッドです。ロータには交互の歯を持つ2つのキャップがあり、軸方向に磁化されています。この構成により、モータは永久磁石バージョンと可変磁気抵抗バージョンの両方の利点、特に高分解能、速度、およびトルクを持つことができます。このより高い性能には、より複雑な構造が必要であり、したがってコストがより高くなります。図3に、このモータの構造の簡略化した例を示します。コイルAに通電すると、N磁化キャップの歯が固定子のS磁化歯と整列します。同時に、ロータ構造により、S磁化歯は固定子のN磁化歯と整列します。ステッピングモータの動作原理は同じですが、実際のモータはより複雑な構造で、写真に示されているものよりも歯の数が多くなっています。歯数が多いため、モータは0.9°までの小さなステップサイズを実現できます。

図4: ハイブリッド型ステッピングモータ

固定子

固定子は、回転子が整列しようとしている磁場を生成する役割を担うモータの一部です。固定子回路の主な特徴には、その相数と極対、およびワイヤ構成が含まれます。相の数は独立したコイルの数であり、一方極のペアの数は歯の主なペアが各相によってどのように占められているかを示します。2相ステッピングモータが最も一般的に使用されていますが、3相および5相モータはあまり一般的ではありません (図5および図6を参照) 。

図5: 二相固定子巻線 (左) 、三相固定子巻線 (右)

図6: 二相単極ペア固定子 (左) と二相双極子ペア固定子 (右) 。文字は、A+とA-の間に正の電圧が印加されたときに生成される磁場を示しています。

ステッピングモータ制御

ここまでに、モータコイルに特定の順序で通電して、ロータが整列する磁場を生成する必要があることを見てきました。コイルに必要な電圧を供給するためにいくつかの部品が使用され、モータが適切に機能できるようにします。MPSが持っているモータに近いICから始めます:

トランジスタブリッジは、モータコイルの電気的接続を物理的に制御する部品です。トランジスタは、電気的に制御される遮断器と見なすことができます。これを閉じると、コイルを電源に接続して、コイルに電流を流すことができます。モータの各相に1つのトランジスタブリッジが必要です。
プリドライバは、トランジスタのアクティブ化を制御し、必要な電圧と電流を提供するICであり、MCUによって制御されます。
MCUはマイクロコントローラユニットであり、通常はモータユーザーによってプログラムされ、プリドライバが目的のモータ動作を取得するための特定の信号を生成します。

図7は、ステッピングモータ制御方式の簡単な表現を示しています。プリドライバとトランジスタブリッジは、ドライバと呼ばれる単一のICに含まれる場合があります。

図7: モータ制御の基本スキーム

ステッピングモータ・ドライバの種類

市場にはさまざまなステッピングモータ・ドライバがあり、特定のアプリケーション向けにさまざまな機能を紹介しています。最も重要な特性には、入力インタフェースが含まれます。最も一般的なオプションは次のとおりです。

ステップ / 方向 - ステップピンにパルスを送信することにより、ドライバはモータがステップを実行するように出力を変更します。ステップの方向は、方向ピンのレベルによって決定されます。
フェーズ/有効化 - 固定子巻線の各フェーズについて、フェーズは現在の方向を決定し、フェーズがオンになっている場合は有効化をトリガーします。
PWM - ローサイドおよびハイサイドFETのゲート信号を直接制御します。

ステッピングモータ・ドライバのもう1つの重要な機能は、巻線の両端の電圧、または巻線を流れる電流のみを制御できるかどうかです。

電圧制御では、ドライバは巻線の両端の電圧のみを調整します。発生するトルクとステップの実行速度は、モータと負荷の特性にのみ依存します。
電流制御ドライバは、生成されるトルク、したがってシステム全体の動的な動作をより適切に制御するために、アクティブコイルを流れる電流を調整するため、より高度です。

ユニポーラ / バイポーラ型モータ

制御にも影響を与えるモータのもう1つの特徴は、電流の方向をどのように変更するかを決定する固定子コイルの配置です。ロータの動きを実現するには、コイルに通電するだけでなく、コイル自体によって生成される磁場の方向を決定する電流の方向を制御する必要があります (図8を参照) 。

ステッピングモータでは、電流方向の制御の問題は2つの異なるアプローチで解決されます。

図8: コイル電流の方向に基づく磁場の方向

ユニポーラ型ステッピングモータでは、リード線の1つがコイルの中心点に接続されます (図9参照) 。これにより、比較的単純な回路と部品を使用して電流の方向を制御できます。中央のリード線 (A_M) は入力電圧V_INに接続されています (図8参照) 。MOSFET 1がアクティブである場合、電流はA_MからA+に流れます。MOSFET 2がアクティブな場合、電流はA_MからA-に流れ、反対方向に磁場を生成します。上で指摘したように、このアプローチはより単純な駆動回路 (2つの半導体のみが必要) を可能にしますが、欠点は、モータで使用される銅の半分だけが一度に使用されることです。これは、コイルに同じ電流が流れることを意味します。すべての銅を使用した場合と比較して、磁場の強度は半分になります。さらに、これらのモータは、モータ入力としてより多くのリード線を使用できる必要があるため、構築がより困難です。

図9: ユニポーラ型ステッピングモータ駆動回路

バイポーラ型ステッピングモータでは、各コイルには2本のリードしかありません。方向を制御するには、Hブリッジを使用する必要があります (図10を参照) 。図8に示すように、MOSFET1と4がアクティブな場合、電流はA+からA-に流れ、MOSFET2と3がアクティブな場合、電流はA-からA+に流れ、反対方向に磁場を生成します。このソリューションには、より複雑な駆動回路が必要ですが、モータは使用される銅の量に対して最大トルクを達成できます。

図10: バイポーラ型ステッピングモータ駆動回路

技術の進歩に伴い、ユニポーラ型の利点はあまり重要ではなくなり、バイポーラ型ステッピングモータが現在最も人気があります。

ステッピングモータ駆動技術

ステッピングモータには4つの異なる駆動技術があります。

ウェーブモードでは、一度に1つのフェーズのみが通電されます (図11を参照) 。簡単にするために、電流が相の+リードから-リードに流れる場合 (例えば、A+からA-) 、電流は正の方向に流れていると言えます。それ以外の場合、方向は負です。左から順に、電流はA相でのみ正の方向に流れ、磁石で表される回転子は、それによって生成される磁場と整列します。次のステップでは、フェーズBでのみ正の方向に流れ、ロータは時計回りに90度回転して、フェーズBによって生成された磁場と整列します。その後、フェーズAは再び通電されますが、電流は負の方向に流れます。、ロータは再び90°回転します。最後のステップでは、電流はフェーズBで負に流れ、ロータは再び90°回転します。

図11: ウェーブモードの手順

フルステップモードでは、2つのフェーズが常に同時に通電されます。図12は、この運転モードのさまざまなステップを示しています。手順はウェーブモードの手順と似ていますが、最も重要な違いは、このモードでは、モータに流れる電流が増え、より強い磁場が生成されるため、モータがより高いトルクを生成できることです。

図12: フルステップモードのステップ

ハーフステップモードは、ウェーブモードとフルステップモードを組み合わせたものです (図12参照) 。この組み合わせを使用すると、ステップサイズを半分に減らすことができます (この場合、90°ではなく45°) 。唯一の欠点は、モータによって生成されるトルクが一定ではないことです。これは、両方の相が通電されている場合はトルクが高く、一方の相のみが通電されている場合はトルクが弱くなるためです。

図13: ハーフステップモードのステップ

マイクロステッピングは、ステップサイズをさらに小さくし、一定のトルク出力を得ることができるため、ハーフステップモードのさらなる強化と見なすことができます。これは、各相に流れる電流の強度を制御することによって実現されます。このモードを使用するには、以前のソリューションと比較して、より複雑なモータドライバが必要です。図14は、マイクロステッピングがどのように機能するかを示しています。I_MAXが、左から順にフェーズで流れることができる最大電流である場合、最初はI_A = I_MAXおよびI_B = 0です。次の段階では、電流はI_A = 0.92 x I_MAXおよびI_B = 0.38、x I_MAXを達成するように電流が制御され、前段階より時計回りに22.5°回転する磁界を発生させます。このステップを異なる電流値で繰り返して、45°、67.5°、および90°の位置に到達します。これにより、ハーフステップモードと比較して、ステップのサイズを半分に減らすことができます。しかし、さらに先に進むことは可能です。マイクロステッピングを使用すると、非常に高い位置分解能に到達するのに役立ちますが、この利点には、モータを制御するためのより複雑なデバイスと、各ステップで生成されるトルクが小さいという犠牲が伴います。実際、トルクは固定子磁場と回転子磁場の間の角度の正弦に比例します。したがって、ステップが小さいほど、トルクは小さくなります。これにより、一部のステップが欠落する可能性があります。つまり、固定子巻線に電流が流れていても、回転子の位置は変化しません。

図14: マイクロステッピング

ステッピングモータの長所と短所

ステッピングモータの動作原理を理解したので、他のモータタイプと比較した場合の長所と短所を要約すると便利です。

利点

ステッピングモータは内部構造のため、モータの位置を検出するためのセンサを必要としません。モータは「ステップ」を実行することで動くので、これらのステップを数えるだけで、特定の時間におけるモータの位置を取得できます。
さらに、ステッピングモータの制御は非常に簡単です。モータにはドライバが必要ですが、正しく動作するために複雑な計算や調整は必要ありません。一般的に、制御の労力は他のモータに比べて低くなります。マイクロステッピングを使用すると、最大約0.007°の高い位置精度に到達できます。
ステッピングモータは低速で良好なトルクを提供し、位置を保持するのに最適であり、また長寿命になる傾向があります。

欠点

負荷トルクが高すぎると、ステップを逃す可能性があります。モータの実際の位置を知る方法がないため、これは制御に悪影響をおよぼします。マイクロステッピングを使用すると、ステッピングモータでこの問題が発生する可能性がさらに高くなります。
これらのモータは、静止しているときでも常に最大電流を消費するため、効率が低下し、過熱を引き起こす可能性があります。
ステッピングモータはトルクが低く、高速でかなりうるさくなります。
最後に、ステッピングモータは、出力密度が低く、トルクと慣性の比率が低くなっています。

要約すると、ステッピングモータは、安価で制御が容易なソリューションが必要な場合や、高速での効率と高トルクが必要ない場合に適しています。

プロジェクトに適したタイプのモータを選択する方法、およびステッピングモータ、ブラシ付きモータ、ブラシレスモータの違いについて詳しくは、こちらをご覧ください。