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、様々な自動制御システムに広く用いられています。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、様々な経済分野で活用されています。
01 とは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き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操舵角、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しなくても、ステッピングモーターとそのドライバーで構成されるシンプルで低コストな開ループ制御システムを用いることで、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的な構造と動作原理
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正転または逆転させて通電し、モーターを正転/逆転回転またはロックします。
1.8度回転可能な2相ステッピングモーターを例にとると、両方の巻線に電流が流れて励磁されると、モーターの出力軸は静止し、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は、保持トルクです。いずれかの巻線の電流を反転させると、モーターは指定された方向に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の方向が変わると、モーターは前者とは逆方向に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ると、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回転します。2相ステッピングモーターの1.8度の回転には、1週間で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なく、モーターの連続回転は、同じコイル内の電流を順次可変励磁することによって行われます。駆動回路の設計には、順次切り替えを行うための8つの電子スイッチが必要です。
単極モーターは各相に反対極性の巻線コイルが2つあり、モーターは
同一位相の2つの巻線コイルに交互に通電することで、連続的に回転する。
駆動回路は、電子スイッチを4つだけ必要とするように設計されている。バイポーラ
ドライブモードでは、モーターの出力トルクは、
各相の巻線コイルが100%励磁されるため、単極駆動モードとなります。
03、ステッピングモーターの負荷
A. モーメント荷重（Tf）
Tf = G * r
G: 荷重重量
r: 半径
B. 慣性負荷（TJ）
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
M: 負荷質量
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、ステッピングモーターの出力特性を表す重要な指標である。
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
ある時点における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度
例えば、ピッチ角1.8°のステッピングモーターで、1/2補間駆動の場合（つまり、1ステップあたり0.9°）で、動作周波数500Hzで1.25回転/秒の速度を持つ。
B. ステッピングモーターのセルフスタート領域
ステッピングモーターを直接起動・停止できる領域。
C. 連続運転エリア
この領域では、ステッピングモーターを直接起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、その後加速して動作領域。同様に、この領域のステッピングモーターは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が脱調しやすくなるので、まず減速してセルフスタートエリアに入り、その後ブレーキをかけた。
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により、ステッピングモーターのステップ動作が失われないようにします。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
モーターがステップロスなく回転するために励磁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起動して動作を開始するには、最大負荷トルクの段階的な低下。
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ーの安定動作を満たす最大負荷トルクステップ損失のない一定のパルス周波数。
05 ステッピングモーターの加減速動作制御
ステッピングモーターの動作周波数が連続速度トルク曲線のポイントにあるとき動作領域、モーターの始動または停止時の加速または減速を短縮する方法時間を増やすことで、モーターが最適な速度状態でより長く動作し、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。
下図に示すように、ステッピングモーターの動的トルク特性曲線は低速では水平な直線となり、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。
ステッピングモーターの負荷はTLであることがわかっています。F0からF1まで加速したいとします。最短時間 (tr) を計算するにはどうすればよいでしょうか？
（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. 高速状態における指数関数的加速
（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)
注記。
Jは、負荷がかかった状態でのモータ回転子の回転慣性モーメントを示す。
qは各ステップの回転角度であり、ステッピングモーターのステップ角度です。
ドライブ全体のケース。
減速操作では、上記の加速パルス周波数を反転するだけで
計算しました。
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ーは無負荷運転時、モーター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、深刻な不整合現象が発生する。
共振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内に入らないようにする振動範囲
B. 細分化駆動モードを採用：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高める
モーターのステップ動作。これは、モーターの位相電流比を調整することで実現できます。
マイクロステッピングはステップ角度の精度を向上させるものではありませんが、モーターの動作をよりスムーズにします。
スムーズかつ低騒音で動作します。半ステップ動作時のトルクは一般的に15%低くなります。
全ステップ動作の場合よりも低く、正弦波電流制御の場合は30%低い。
投稿日時：2022年11月9日