ステッピングモーターフィードバック装置を使用せずに速度制御と位置決め制御に使用できるため（つまり、オープンループ制御）、この駆動ソリューションは経済的かつ信頼性があります。自動化機器や計測機器では、ステッピングモーター駆動が非常に広く使用されています。しかし、多くの技術者は、適切なステッピングモーターの選択方法、ステッピングモーター駆動の最高のパフォーマンスを実現する方法などについて疑問を持っています。本稿では、ステッピングモーターの選択について議論し、いくつかのステッピングモーターのエンジニアリング経験の応用に焦点を当て、自動化機器におけるステッピングモーターの普及に参考となることを願っています。
1．紹介ステッピングモーター
ステッピングモーターは、パルスモーターまたはステップモーターとも呼ばれます。入力パルス信号に応じて励磁状態が変化するたびに一定の角度だけ前進し、励磁状態が変化しない場合は一定の位置に静止します。これにより、ステッピングモーターは入力パルス信号を対応する出力の角度変位に変換することができます。入力パルスの数を制御することで、最適な位置決めを実現するために出力の角度変位を正確に決定できます。また、入力パルスの周波数を制御することで、出力の角速度を正確に制御し、速度調整の目的を達成できます。1960年代後半には、さまざまな実用的なステッピングモーターが登場し、過去40年間で急速な発展を遂げました。ステッピングモーターは、DCモーター、非同期モーター、同期モーターと並んで、基本的なタイプのモーターになりました。ステッピングモーターには、リアクティブ（VRタイプ）、永久磁石（PMタイプ）、ハイブリッド（HBタイプ）の3種類があります。ハイブリッドステッピングモーターは、最初の2つのタイプのステッピングモーターの利点を組み合わせたものです。ステッピングモーターは、ローター（ローターコア、永久磁石、シャフト、ボールベアリング）、ステーター（巻線、ステーターコア）、フロントエンドキャップ、リアエンドキャップなどから構成されます。最も一般的な2相ハイブリッドステッピングモーターは、ステーターに8つの大きな歯、40の小さな歯、ローターに50の小さな歯を備えています。3相モーターは、ステーターに9つの大きな歯、45の小さな歯、ローターに50の小さな歯を備えています。
2．制御原理
のステッピングモーターステッピングモーターは電源に直接接続することも、電気パルス信号を直接受信することもできないため、電源やコントローラとの通信は、専用のインターフェースであるステッピングモータードライバを介して行う必要があります。ステッピングモータードライバは一般的に、リングディバイダとパワーアンプ回路で構成されています。リングディバイダはコントローラから制御信号を受信します。パルス信号を受信するたびにリングディバイダの出力が1回変換されるため、パルス信号の有無と周波数によって、ステッピングモーターの速度が高速か低速か、加速か減速か、開始か停止かを判断できます。リングディバイダは、コントローラからの方向信号も監視し、出力状態遷移が正方向か負方向かを判断して、ステッピングモーターの操舵方向を決定します。
3．主なパラメータ
①ブロック番号：主に20、28、35、42、57、60、86など
②相数：ステッピングモーター内部のコイルの数。ステッピングモーターの相数は一般的に2相、3相、5相に分類されます。中国では主に2相ステッピングモーターが使用され、3相も一部使用されています。日本では5相ステッピングモーターがより多く使用されています。
③ステップ角：パルス信号に対応する、モータロータの回転角変位。ステッピングモータのステップ角計算式は以下のとおりです。
ステップ角度 = 360° ÷ (2mz)
mはステッピングモーターの相数です。
Zはステッピングモーターのローターの歯数です。
上記の式によれば、2相、3相、5相ステッピングモーターのステップ角はそれぞれ1.8°、1.2°、0.72°である。
④保持トルク：モータのステータ巻線に定格電流が流れているが、ロータが回転せず、ステータがロータをロックしているときのトルクです。保持トルクはステッピングモータの最も重要なパラメータであり、モータ選定の主な基準となります。
⑤ 位置決めトルク: モーターに電流が流れていないときに、外部の力でローターを回転させるのに必要なトルクです。トルクはモーターを評価するための性能指標の 1 つです。他のパラメータが同じ場合、位置決めトルクが小さいほど「スロット効果」が小さくなり、低速でのモーターのスムーズな動作に有利になります。トルク周波数特性: 主に引き伸ばされたトルク周波数特性を指し、モーターが一定の速度で安定して動作し、ステップを失うことなく最大トルクに耐えることができます。モーメント周波数曲線は、ステップを失うことなく最大トルクと速度 (周波数) の関係を表すために使用されます。トルク周波数曲線はステッピングモーターの重要なパラメータであり、モーター選択の主な根拠です。
⑥ 定格電流：定格トルクを維持するために必要なモータ巻線電流、実効値
4．ポイントの選択
産業用途では、ステッピングモーターの速度は最大 600 ～ 1500rpm までです。より高速の場合は、クローズドループステッピングモーター駆動を検討するか、より適切なサーボ駆動プログラムを選択してステッピングモーターの選択手順を実行してください (下図を参照)。
（１）段差角度の選択
モーターの相数に応じて、ステップ角は1.8°（2相）、1.2°（3相）、0.72°（5相）の3種類があります。もちろん、5相のステップ角は精度が最も高いですが、モーターとドライバーが高価なため、中国ではあまり使用されていません。また、現在主流のステッピングモータードライバーはサブディビジョン駆動技術を採用しており、4分割以下ではサブディビジョンステップ角の精度が保証されるため、ステップ角の精度指標だけを考慮すれば、5相ステッピングモーターは2相または3相ステッピングモーターに置き換えることができます。例えば、5mmのねじ荷重に対する何らかのリードの適用において、2相ステッピングモーターを使用し、ドライバーを4分割に設定すると、モーターの1回転あたりのパルス数は200 x 4 = 800となり、パルス相当値は5 ÷ 800 = 0.00625mm = 6.25μmとなり、この精度はほとんどの適用要件を満たすことができます。
（２）静的トルク（保持トルク）の選択
一般的に使用される負荷伝達機構には、同期ベルト、フィラメントバー、ラックアンドピニオンなどがあります。お客様はまず、機械負荷（主に加速トルクと摩擦トルク）を計算し、それをモータシャフトに必要な負荷トルクに変換します。次に、電動フラワーに必要な最大動作速度に応じて、ステッピングモータの適切な保持トルクを選択するために、次の 2 つの異なる使用例があります。① 必要なモータ速度が 300pm 以下のアプリケーションの場合: 機械負荷をモータシャフトに必要な負荷トルク T1 に変換すると、この負荷トルクに安全係数 SF (一般的に 1.5～2.0) を乗じ、必要なステッピングモータの保持トルク Tn が得られます。② モータ速度が 300pm 以上必要なアプリケーションの場合: 最大速度 Nmax を設定し、機械負荷をモータシャフトに変換すると、必要な負荷トルクは T1 になります。次に、この負荷トルクに安全係数 SF (通常 2.5～3.5) を乗じ、保持トルク Tn が得られます。図4を参照して適切なモデルを選択してください。次に、モーメント周波数曲線を使用して確認および比較します。モーメント周波数曲線において、ユーザーが要求する最大速度NmaxがT2の最大損失ステップトルクに対応する場合、最大損失ステップトルクT2はT1よりも20%以上大きくなければなりません。そうでない場合は、より大きなトルクを持つ新しいモータを選択し、新しく選択したモータのトルク周波数曲線に従って再度確認および比較する必要があります。
（３）モーターベース番号が大きいほど、保持トルクが大きくなります。
（４）定格電流に応じて適合するステッピングドライバを選択する。
例えば、モーター57CM23の定格電流が5Aの場合、ドライブの最大許容電流が5A以上（ピーク値ではなく実効値であることに注意してください）になるように調整する必要があります。そうしないと、最大電流が3Aしかないドライブを選択した場合、モーターの最大出力トルクは約60%にしかならない可能性があります。
5．アプリケーション体験
（１）ステッピングモーターの低周波共振問題
細分化ステッピングモーター駆動は、ステッピングモーターの低周波共振を低減する効果的な方法です。150rpm以下では、細分化駆動はモーターの振動低減に非常に効果的です。理論的には、細分化が大きいほどステッピングモーターの振動低減効果は高くなりますが、実際には、細分化を8または16に増やすと、ステッピングモーターの振動低減効果が極限に達します。
近年、国内外で低周波共振抑制機能を備えたステッピングモータードライバーが数多く発売されており、Leisai社のDM、DM-Sシリーズ製品は、低周波共振抑制技術を採用しています。このシリーズのドライバーは高調波補償を使用し、振幅と位相の整合補償によってステッピングモーターの低周波振動を大幅に低減し、低振動・低騒音動作を実現します。
（２）ステッピングモーターの分割が位置決め精度に及ぼす影響
ステッピングモーター分割駆動回路は、装置の動作の滑らかさを向上させるだけでなく、装置の位置決め精度も効果的に向上させることができます。テスト結果によると、同期ベルト駆動モーションプラットフォームでは、ステッピングモーターを4分割することで、各ステップでモーターを正確に位置決めできます。
投稿日時：2023年6月11日