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。そこで今回は、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向上させる方法について解説します。フィードバック機能を備えた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得ます。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について

ステッピングモーターは、連続的な回転運動ではなく、離散的なステップで動くブラシレスDC電気モーターです。これらのステップ運動は、ステータ内の電磁コイルのセットによる磁場シフト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順次供給し、ステップ動作を駆動する電子機器。コントローラーの機能はモーターの性能に大きな影響を与える。

ステッピングモーターにはいくつかの種類がありますが、最も一般的なタイプは、優れた分解能（1回転あたり200ステップ以上）、十分な低速トルク、堅牢な構造、長い耐用年数、そして比較的低コストという特長を備えています。しかし、欠点もあります。回転速度が高くなるとトルク出力が低下し、（シンプルなコントローラーでは）高周波振動であるリンギングが発生することがあります。最大の欠点は、位置決め用途であっても、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、コントローラーからの指示に従って一定数のステップで移動しますが、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ーに返しません。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、コントローラーが認識している動作と実際の動作との間に、徐々にずれが生じる可能性があります。想定するモーターシャフトの回転位置と真実シャフトの位置（および接続されている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的抵抗を克服するのに不十分な場合に発生します。実際、モーターのトルク出力能力が制限される高回転数では、このようなミスマッチが大きな問題となることがあります。そのため、設計エンジニアは、ステップの欠落を避けるために、ステッピングモーターを過剰に指定することがよくあります。たとえ、最も要求の厳しい動作プロファイル以外では、ステッピングモーターが大きすぎたり重すぎたりする選択になるとしてもです。

もう一つの欠点は、従来型のステッピングモーターが停止する際に、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す必要があることです。これにより電力が消費され、モーター巻線や周辺の部品が発熱します。

信頼性の高い位置決めを実現するステッピングモーターシステムに関するフィードバック

ステッピングモーターシステムにエンコーダーを追加して軸位置フィードバックを得ることで、実質的に制御ループが閉じられます。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、サーボモーターに切り替えるほどではありません。

エンコーダーフィードバックを追加するアプローチの1つは、移動して検証するこのモードでは、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ーが追加されます。コントローラーがモーターにステップコマンドを発行すると、エンコーダーはコマンドされた動作が行われたことをコントローラーに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かった場合、コントローラー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ーでは、追加ステップを実行するためのトルクを高める方法として、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・検証システムで使用されるエンコーダは、通常、1回転あたり200位置の倍数程度の分解能を備えている。

移動・検証モードを採用するシステムでは、大型モーターの導入によってメリットが得られる場合があるが、単純なオープンループシステムに必要なほど大型化する必要はないことに注意が必要である。

また、このモードでは、インテリジェントコントローラ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量は依然として高い傾向にあります。

絶対エンコーダを用いた閉ループステッピングモーター制御

位置制御が重要な用途向けの、やや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完全閉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、以下の項目を監視します。

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回転数。

この構成では、ステッピングモーターは高極数ブラシレスDC（BLDC）モーターのように制御され、エンコーダーはコントローラー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してみてはいかがでしょうか？

クローズド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実現できません。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サーボモーターのローターよりも慣性が大きいため、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、エンコーダは重要な整流その役割は、モーターシャフトの正確な回転位置を報告することです。これにより、コントローラーは必要に応じて適切なステーター電磁石を作動させ、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ーが相電流を微調整し、より基本的なステッピングモーター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。