アクチュエータとして、ステッピングモーターステッピングモーターはメカトロニクスの主要製品の一つであり、様々な自動化制御システムに広く使用されています。マイクロエレクトロニクスとコンピュータ技術の発展に伴い、ステッピングモーターの需要は日々増加しており、様々な国家経済分野で利用されています。
01 とは何かステッピングモーター
ステッピングモーターは、電気パルスを機械的な動作に直接変換する電気機械装置です。モーターコイルに印加される電気パルスのシーケンス、周波数、および数を制御することで、ステッピングモーターのステアリング、速度、および回転角度を制御できます。位置検出機能を備えた閉ループフィードバック制御システムを使用することなく、ステッピングモーターと付属のドライバで構成されるシンプルで低コストの開ループ制御システムを使用することで、高精度な位置および速度制御を実現できます。
02 ステッピングモーター基本構造と動作原理
基本構造：
動作原理: ステッピング モーター ドライバーは、外部制御パルスと方向信号に従って、内部ロジック回路を介して、ステッピング モーターの巻線を一定のタイミング シーケンスで順方向または逆方向に通電制御し、モーターを正転/逆転させたり、ロックしたりします。
1.8度回転の2相ステッピングモーターを例に挙げましょう。両方の巻線に通電・励磁すると、モーターの出力軸は固定され、所定の位置に固定されます。定格電流でモーターを固定状態に保つ最大トルクが保持トルクです。一方の巻線の電流の向きを変えると、モーターは所定の方向に1ステップ（1.8度）回転します。
同様に、もう一方の巻線の電流方向が変化すると、モーターは前の巻線とは反対方向に1ステップ（1.8度）回転します。コイル巻線を流れる電流を順次励磁に切り替えていくと、モーターは指定された方向に非常に高い精度で連続的にステップ回転します。2相ステッピングモーターの場合、1週間で1.8度回転するのに200ステップかかります。
2相ステッピングモーターには、バイポーラとユニポーラの2種類の巻線があります。バイポーラモーターは各相に1つの巻線コイルしか持たないため、モーターは連続的に回転し、同じコイルに流れる電流を順次可変励磁します。駆動回路の設計には、順次スイッチングを行うための8つの電子スイッチが必要です。
ユニポーラモータは、各相に反対極性の2つの巻線コイルがあり、モータは
同じ位相の2つの巻線コイルに交互に通電することで連続的に回転します。
駆動回路は4つの電子スイッチのみを必要とするように設計されている。バイポーラでは
ドライブモードでは、モーターの出力トルクが通常の
各相の巻線コイルが 100% 励起されるため、ユニポーラ駆動モードになります。
03、ステッピングモーター負荷
A. モーメント荷重（Tf）
Tf = G * r
G: 積載重量
r: 半径
B. 慣性荷重（TJ）
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
M: 荷重質量
R1: 外輪の半径
R2: 内輪の半径
dω/dt: 角加速度
04、ステッピングモーターの速度-トルク曲線
速度-トルク曲線はステッパーの出力特性を表す重要な表現である。
モーター。
A. ステッピングモーターの動作周波数ポイント
ある時点でのステッピングモーターの速度値。
n = q * Hz / (360 * D)
n: 回転/秒
Hz: 周波数値
D: 駆動回路補間値
q: ステッピングモーターのステップ角
例えば、ピッチ角1.8°、1/2補間駆動のステッピングモータ(つまり、1ステップあたり0.9°)、動作周波数500 Hzで速度は1.25 r/sです。
B. ステッピングモーターの自己始動領域
ステッピングモーターを直接起動・停止できる領域。
C. 連続運転領域
この領域では、ステッピングモーターを直接始動または停止することはできません。このエリアは、まずセルフスタートエリアを通過し、その後加速して到達する必要がある。動作領域。同様に、この領域ではステッピングモータを直接ブレーキをかけることはできません。そうしないとステッピングモーターの同期が崩れやすくなり、まず減速して自動始動エリアを通過してからブレーキをかけます。
D. ステッピングモーターの最大始動周波数
モーターの無負荷状態は、ステッピングモーターがステップ動作を失わないようにするためです。最大パルス周波数。
E. ステッピングモーターの最大動作周波数
モータがステップを失うことなく動作するために励起される最大パルス周波数無負荷時。
F. ステッピングモーターの始動トルク/引き込みトルク
ステッピングモーターを特定のパルス周波数で始動させて始動させるには、最大負荷トルクの段階を失います。
G. ステッピングモーターの運転トルク/引き込みトルク
ステッピングモータの安定動作を満足する最大負荷トルクは、ステップを失うことなく一定のパルス周波数を実現します。
05 ステッピングモータの加減速モーション制御
ステッピングモータの動作周波数が連続運転の速度トルク曲線の点にあるとき動作領域、モーターの始動または停止の加速または減速を短縮する方法モーターが最良速度状態でより長く動作するようにし、それによってモーターの有効稼働時間は非常に重要です。
下の図に示すように、ステッピングモータの動的トルク特性曲線は低速では水平の直線、高速では曲線は指数関数的に減少するインダクタンスの影響によるものです。
ステッピングモーターの負荷はTLであることが分かっているので、F0からF1まで加速したいとします。最短時間 (tr)、最短時間 tr を計算する方法は?
（１）通常、TJ = 70% Tm
(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
B. 高速状態での指数加速度
（１）通常
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
（2）
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
（3）
F (t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
注意事項。
J は、負荷がかかっているモーターローターの回転慣性を示します。
qは各ステップの回転角度であり、これはステッピングモータのステップ角度である。
ドライブ全体のケース。
減速動作では、上記の加速パルス周波数を逆にするだけで
計算されました。
06 ステッピングモーターの振動と騒音
一般的に、ステッピングモータは無負荷運転時にモータの動作周波数がモーターローターの固有周波数に近いか等しい場合、共振し、深刻な脱調現象が発生する。
共鳴に対するいくつかの解決策:
A. 振動ゾーンを避ける：モーターの動作周波数が振動ゾーンに入らないようにする振動範囲
B. 分割駆動モードを採用：マイクロステップ駆動モードを使用して振動を低減します。
元の1ステップを複数のステップに分割して、各ステップの解像度を上げる
モーターのステップ。これは、モーターの位相と電流の比を調整することで実現できます。
マイクロステップではステップ角の精度は上がりませんが、モーターの回転速度は速くなります。
スムーズかつ低騒音で動作します。ハーフステップ動作では、トルクは通常15%低下します。
フルステップ動作の場合よりも 10% 低く、正弦波電流制御の場合は 30% 低くなります。
投稿日時: 2022年11月9日