ステップモーターシステムは、モーションコントロール業界の基盤です。オープンループシステムとクローズドループシステムの違いを解説するとともに、ステップモーターシステムをこれまで以上に高速化、静音化、そしてエネルギー効率化させる最新の技術開発についても解説します。

ステッピングモータシステムは、電圧駆動とフルステッピングの黎明期から長い道のりを歩んできました。まずPWM駆動とマイクロステッピングが登場し、その後デジタル信号プロセッサ（DSP）と共振防止アルゴリズムが採用されました。そして現在、新たな閉ループステッピング技術により、ステッピングモータは今後もモーションコントロール業界の基盤として重要な役割を果たし続けるでしょう。

動作が直線か回転かに関わらず、どのモータと駆動システムが最も適しているかを決定する上で最も重要な2つの要素は、トルクと効率です。これは、最終用途が自動組立システム、マテリアルハンドリングマシン、3Dプリンター、直交座標ポジショナー、蠕動ポンプ、あるいはステッピングモータが好まれる無数の用途のいずれであっても当てはまります。

ステッピングシステムの最新技術は、低コストで高解像度のフィードバックデバイスと高度なDSPを適用し、ステッピングモータのモーションを閉ループ制御することです。こうした制御により、閉ループステッピングモータの性能が向上し、オープンループシステムを上回る性能を実現します。後ほど説明するように、このような閉ループシステムの一例は、フィードバックデバイス、ドライバおよびコントローラボード、電源、通信、I/Oエレクトロニクス、そしてモータ側面と背面のシステムコネクタを含む統合型モータ設計に実装されています。

オープンループとクローズドループのステッパーシステム
まず、高性能クローズドループ ステッパー システムを、トルクと効率の観点から従来のオープンループ ステッパー システムと比較してみましょう。

実験室でのテスト結果から、クローズドループステッピングシステムはオープンループシステムよりも優れた性能を発揮することが実証されています。これは、2つのシステムの加速度（トルク）、効率（消費電力）、位置誤差（精度）、発熱、騒音レベルを比較したものです。トルクと加速度の関係を考えてみましょう。トルク-速度曲線は、クローズドループステッピングシステムのピークトルクと連続トルクの範囲、そしてオープンループステッピングシステムの実用トルクの範囲を示しています。実世界では、トルクは加速度に直結することがよくあります。つまり、トルクの大きいモーターは、特定の負荷をより速く加速できるということです。

このトルク性能の違いを実験室でテストするために、同じサイズのオープンループおよびクローズドループのステッピングモーターシステムに同一の慣性負荷をかけます。プログラミングでは、2つのシステムに同一の動作プロファイルを実行するよう指示しますが、各システムの加速度と最高速度は、位置決めエラーが発生するまで徐々に増加させます。

オープンループシステムの最大加速率が1,000回転/秒であるとする。²最高速度は10回転/秒（600rpm）です。この最高速度10回転/秒は、トルク-速度曲線の平坦部が終了する位置と一致します。閉ループシステムは（より高いトルク発生能力により）、最大加速速度2,000回転/秒を実現します。²最高速度は20回転/秒（1,200rpm）です。これはオープンループシステムの2倍の性能であり、動作時間は110ミリ秒から60ミリ秒へとほぼ半分に短縮されます。

高いスループットを必要とするアプリケーション（インデックス作成、エッジガイド位置決め、ピックアンドプレースシステムなど）の場合、クローズドループシステムはパフォーマンス上の明確な利点を提供します。

オープンループ効率とクローズドループ効率

オープンループシステムとクローズドループシステムの相対的な効率を測定するために、同じサイズの同じ2つのモーターで同じテストを繰り返すと仮定します。今回は、クローズドループモーターとオープンループモーターを同じ慣性負荷で並べて動作させますが、動作プロファイルを一定かつ等しく保つプログラミングを実行することで、両方のシステムが同じ量の作業を実行します。

2つのモーターが同じ動作プロファイルを繰り返し実行している間、2つのシステムに供給するDC電源からの電流消費量を測定し、消費電力を計算します。値のプロットからわかるように、オープンループ・ステッパーシステムの平均消費電力は43.8ワットであるのに対し、クローズドループ・システムの平均消費電力はわずか3分の1の14.2ワットです。この劇的な消費電力の違いは、クローズドループ・システムの方が効率が高いことを明確に示しています。オープンループ・ステッパーシステムのシステム効率向上を検討しているユーザーは、クローズドループ・システムへの簡単なアップグレードを検討することで、消費電力の大幅な削減を期待できます。

モーターの発熱に対処する方法

消費電力テストの自然な流れとして、モーターの発熱の調査が挙げられます。オープンループ・ステッピングシステムは極めてシンプルです。モーターの定格電流に合わせてドライブを設定するだけで、ドライブは、結果として生じるトルクが必要かどうかに関わらず、常にその電流をモーターに供給するよう最善を尽くします。しかし、この動作によって、アプリケーション機能にエネルギーを供給するのではなく、熱が発生することがよくあります。これが、オープンループ・ステッピングシステムがクローズドループ・システムよりも一般的に高温になる理由です。また、機械設計者は、この熱に対処するために追加の対策を講じる必要があり、多くの場合、作業者の近くで稼働するステッピングモーターの周囲に特別なガードを設けたり、ファンなどの追加の冷却システムを設置したりする必要があります。

上記と同じオープンループシステムとクローズドループシステムを用いて、実験室で実施したモータ加熱試験の結果を考えてみましょう。この試験では、2つのシステムは同じ慣性負荷を駆動し、同じ量の仕事を発生させ、熱平衡に達するまで動作させました。オープンループシステムのケース温度は76.0℃に達するのに対し、クローズドループシステムはわずか36.9℃で熱平衡に達しました。これは、オープンループシステムの半分以下の温度です。モータの加熱がこのように大幅に低減されることで、機械メーカーは追加の保護装置や冷却サブシステムを省略できるため、部品コストの削減につながります。

騒音を出すモーターはもう不要

オープンループステッピングシステムに関するもう一つのよくある不満は、かなりの可聴ノイズが発生することです。実験室、病院、オフィスなどの特定の環境では、このノイズは機械設計者にとって深刻な問題となる可能性があります。

ステッピングモーターから発生するノイズは、高い電気周波数とステーター歯における急激な磁束変化、そしてオープンループシステムが負荷に関わらず定格電流で動作することに起因します。一方、クローズドループステッピングモーターシステムでは、負荷を制御するのに必要な電流のみをモーターに供給するため、可聴ノイズは大幅に低減されます。

この記事に添付されている音響ノイズのグラフに示す試験結果を得るために、各システムの音響ノイズは防音室で測定されています。閉ループシステムは、0～20回転/秒の速度範囲において、開ループシステムよりも大幅に静かです。この速度範囲は、ステッピングモーターシステムが最もよく使用されるアプリケーションの実際の速度範囲と一致しています。つまり、ほとんどのステッピングモーターアプリケーションにおいて、閉ループシステムへの切り替えによりモーターノイズの低減が期待できます。

位置誤差を排除する優れたモーター精度

オープンループ・ステップモーターシステムは、フィードバック機構やクローズドループ制御システムなしで負荷を正確に位置決めできる能力が高く評価されていますが、これはオープンループシステムに十分なトルクマージンがあり、通常動作中に位置誤差が発生しない場合に限ります。精度を向上させ、より堅牢なシステム設計を実現するために、高解像度エンコーダからのフィードバックをサーボ位置ループで閉じることで、クローズドループシステムは、オープンループシステムでは位置誤差につながるトルク需要の増加を自動的に補正できます。これにより、ピックアンドプレースシステムや3Dプリンターなど、短距離の高速移動と頻繁な方向転換が求められる高度に動的なアプリケーションにおいて、システム全体の精度が大幅に向上します。

既存のステッパーシステムのアップグレード

統合型ステップ モーター システムのコンポーネントのうち、モーター、パワー アンプ、通信のコストは、一般に、オープン ループからクローズド ループに移行しても増加しません。制御電子機器は、モーターをサーボ制御するために多少の中央処理能力やメモリを必要とする場合がありますが、これらは通常、定価には影響しません。オープン ループ ステッパー システムとクローズド ループ ステッパー システムのコスト差の多くは、高解像度のフィードバック デバイスの追加にありますが、製造の改良により、これらのデバイスはますます手頃な価格になっています。そのため、現在では、クローズド ループ ステッパー システムは、従来のサーボなどの他のタイプの位置決めシステムに対して、オープン ループ ステッパー システムのコスト上の利点を維持しながら、ほぼすべての点でパフォーマンスが大幅に向上しています。通常、クローズド ループ システムのエネルギー節約とスループットの向上により、フィードバック デバイスのコストのわずかな増加はすぐに回収されます。

NEMA規格のフレームサイズを選択すれば、コストの増加を最小限に抑えながら、オープンループステッピングシステムからクローズドループシステムへのアップグレードも容易になります。クローズドループNEMA 23ステップモーターは、オープンループNEMA 23ステップモーターと同じフレームサイズ、パイロット径、ボルト穴径、ボルト穴径を備えているため、取り付けブラケットも共通です。クローズドループシステムではより大きなトルクが得られるため、クローズドループステップモーターのシャフト径が大きくなる場合がありますが、通常はシャフトカップリングを交換するだけで簡単に解決できます。