ステッピングモーターは、多くのモーション制御および位置制御アプリケーションにおいて最適な選択肢です。幅広いサイズとトルク定格が用意されており、ハイエンドのサーボモーターよりも大幅に安価です。そこで、フィードバックデバイスを追加することで、ステッピングモーターの性能をサーボモーターと同等に高める方法について説明しましょう。フィードバック付きステッピングモーターはサーボモーターの完全な代替品ではありませんが、多くの実用アプリケーションにおいて信頼性の高い代替手段となります。これらのモーション設計ソリューションは、コストを抑えながら機械の性能を向上させます。

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は、連続的に回転運動するのではなく、離散的なステップで動作するブラシレスDC電気モーターです。これらのステップ運動は、ステーター内の電磁コイル群による磁場の変化によって駆動されます。ステッピングモーターの動作は、コントローラ— モーターのステータコイルに電流を供給し、ステップ動作を駆動する電子デバイス。コントローラの機能はモーターの性能に大きな影響を与えます。

ステッピングモーターには様々な種類がありますが、最も一般的なものは、優れた分解能（1回転あたり200ステップ以上）に加え、低速トルク、堅牢な構造、長寿命、そして比較的低コストといった特長を備えています。しかし、これらには限界もあります。回転速度が上昇するとトルク出力が低下し、（シンプルなコントローラを使用した場合）ステッピングモーターはリンギング（高周波振動）の影響を受ける可能性があります。最大の欠点は、位置決めアプリケーションであっても、基本的なステッピングモーターシステムはオープンループ制御で動作することです。

ステッピングモーターは、コントローラからの指示に応答して一定数のステップを移動しますが、その動作が完了したかどうかについてのフィードバックをコントローラに返しません。そのため、モーターが要求されたステップ動作を完了できない場合、コントローラが予測する動作と実際の動作との間に乖離が生じます。想定しているモーターシャフトの回転位置と真実シャフト（および接続された負荷や駆動機構）の位置がずれることがあります。このようなミスマッチは、モーターのトルクが機械抵抗を克服するのに不十分な場合に発生します。実際、これらのミスマッチは高回転時に深刻な問題となる可能性があります。なぜなら、高回転時にはモーターのトルク出力能力が制限されるからです。そのため、設計エンジニアはステッピングモーターの仕様を過剰に設定することがよくあります。ステップミスを避けるためです。その結果、最も要求の厳しい動作プロファイルを除き、大きすぎて重いステッピングモーターを選択することになってもです。

従来のステッピングモーターのもう一つの欠点は、停止時にステッピングモーターのシャフトを所定の位置に保持するためにモーター巻線に電流を流さなければならないことです。これにより電力が消費され、モーター巻線と周囲の部品が加熱されます。

信頼性の高い位置決めのためのステッピングモーターシステムのフィードバック

ステッピングモーターシステムにエンコーダを追加してシャフト位置のフィードバックを得ると、制御ループが実質的に閉じられます。これらのフィードバックデバイスを追加するとシステム全体のコストは増加しますが、サーボモーターへの切り替えほどではありません。

エンコーダフィードバックを追加する1つの方法は、移動して検証するモード。この場合、ステッピングモーターのテールシャフトにシンプルなインクリメンタルエンコーダが追加されます。コントローラがモーターにステップコマンドを発行すると、エンコーダはコントローラに対して、コマンドされた動作が実行されたことを継続的に確認します。モーターが要求されたステップ数を完了できない場合、コントローラはモーターが目的の位置に到達するまで、追加のステップを要求できます。より高度なコントローラでは、追加のステップを実行するためのトルクを増強するために、モーターへの相電流を増加させることもあります。

このような移動と検証のセットアップで使用されるエンコーダーの解像度は、通常、1 回転あたり 200 位置の倍数になります。

移動および検証モードを採用したセットアップでは、特大サイズのモーターを組み込むことでメリットが得られる可能性がありますが、単純なオープンループ システムに必要なほど特大サイズにはなりません。

また、このモードを使用すると、インテリジェント コントローラーがモーターへの保持電流を微調整して、停止時の効率をわずかに向上させることができますが、全体的なエネルギー消費は依然として高くなる傾向があります。

アブソリュートエンコーダによる閉ループステッピング制御

重要な位置制御アプリケーション向けの、もう少し高度なオプションとして、マルチターンアブソリュートエンコーダを用いたフルクローズドループ制御があります。ここで使用されるエンコーダは、ステッピングモーターのテールシャフトに取り付けられ、以下の動作を監視します。

1. ステッピングモーターの角度位置と
2. ステッピングモーターの全回転数。

この構成では、ステッピングモーターは多極ブラシレスDC（BLDC）モーターのように制御され、エンコーダはコントローラに位置フィードバックを継続的に提供します。モーターに供給される保持電流は、所定の位置許容範囲内で位置を維持するために必要な量に正確に調整されます。ブラシレスサーボモーターのように制御されるステッピングモーターは、真のBLDCサーボモーターよりもエネルギー効率が高く、安価です。では、すべてのBLDCサーボアプリケーションに低コストのステッピングモーターを使用するのはいかがでしょうか？

閉ループサーボシステムで使用されるステッピングモーターには、真のBLDCサーボモーターにはない物理的な制約があります。具体的には、このように動作するステッピングモーターは実質的に50極ブラシレスモーターとして動作するため、サーボモーターで可能な回転数を達成できません。さらに、ステッピングモーターのローターは、同等の出力を持つ真のBLDCサーボモーターよりも慣性が大きいため、サーボモーターと同じ加速度を実現できません。

ステッピングモーターをBLDCモードで使用する場合、エンコーダーは重要な機能を実行します。減刑モータシャフトの正確な回転位置を報告するという役割を担っています。これにより、コントローラは適切なステータ電磁石群に通電し、必要に応じて連続回転させることができます。さらに、高精度アブソリュートエンコーダは、高度なマイクロステッピングコントローラにおいて、位相電流を微調整することで、より基本的なステッピングモータシステムで発生するリンギング（振動）を低減するのにも役立ちます。