ステッピングモーターの弱点は何ですか？

ステッピングモータは多くの利点を持っていますが、いくつかの弱点も存在します。以下に、ステッピングモータの一般的な弱点をいくつか挙げます。

トルク低下: ステッピングモータは、正確なステップ運動を実現するために設計されていますが、高速回転時や高負荷時にはトルクが低下することがあります。これは、モータの内部インダクタンスやリアクタンスが影響を及ぼすためです。そのため、高速回転や高トルクが必要なアプリケーションでは、ステッピングモータではなく他のモータタイプが適している場合があります。

（写真の由来：Nema 16 バイポーラステッピングモーター 1.8°18Ncm (25.5oz.in) 0.65A 4.55V 39x39x34mm 4 ワイヤー）

高周波ノイズ: ステッピングモータは、ステップ毎に瞬時的に電流を変化させるため、高周波ノイズを発生する傾向があります。このノイズは、周囲の電子機器や回路に影響を及ぼす可能性があります。適切なシールド化やノイズフィルタリングの対策を講じることで、ノイズの影響を最小限に抑えることができます。

正確性の制約: ステッピングモータは、通常、一定のステップ角で回転しますが、そのステップ角は固定されています。そのため、非常に高い位置決め精度が必要なアプリケーションでは、ステッピングモータの正確性が制約される可能性があります。高精度な位置決めを必要とする場合には、他のモータタイプ（例：サーボモータ）がより適している場合があります。

（写真の由来：Nema 42 3相 バイポーラ ステッピングモーター 13 Nm(1841.32oz.in) 3.0A 110x110x130.5mm 3ワイヤー）

リソース要件: ステッピングモータを制御するためには、適切なドライバやコントローラが必要です。また、ステッピングモータの正確な制御には、パルス信号を生成するための高解像度の制御装置が必要です。これにより、コストやリソースの面で制約が生じる場合があります。

以上がステッピングモータの一般的な弱点です。これらの制約にもかかわらず、ステッピングモータは多くのアプリケーションで広く利用されており、適切な設計と制御方法によってこれらの制約を克服することができます。

ステッピングモータが脱調している症状は？

ステッピングモーターが脱調している場合、以下のような症状が現れることがあります：

誤った位置: 

ステッピングモーターが脱調していると、モーターが予期せず停止したり、正確な位置からずれた位置に移動したりすることがあります。制御された位置に移動することができなくなり、位置制御の精度が低下します。

振動や振動パターンの変化: 

脱調が発生すると、モーターの振動が増加したり、振動パターンが変化したりすることがあります。特に高速回転時や負荷が増加した場合に顕著に現れることがあります。

（写真の由来：Eシリーズ Nema 23バイポーラステッピングモーター 23HE30-2804S 1.8°1.9Nm 3.2V 57x57x76mm）

回転方向の不確定性: 

脱調が発生すると、モーターの回転方向が不確定になることがあります。モーターが予期しない方向に回転し、制御された方向と逆の回転をすることがあります。

出力トルクの低下: 

脱調が発生すると、モーターの出力トルクが低下することがあります。正確な位置に移動できず、効率が低下するため、必要なトルクを発揮できない場合があります。

（写真の由来：ステッピングモーター 3Dプリンター DIY CNCロボットに適用 , 0.4A ,黒 17HS13-0404S1）

駆動音の変化: 

脱調が発生すると、モーターの駆動音が変化する場合があります。通常、ステッピングモーターは正確な位置制御により静かに動作しますが、脱調が起きると異音や振動音が増加する場合があります。

これらの症状がステッピングモーターの動作中に観察される場合、脱調の可能性があります。脱調の原因を特定し、駆動回路や制御アルゴリズムの最適化、機械的な調整などを行うことで、脱調を解消することができます。

ステッピングモータについて

モータとは、電気的なエネルギを機械的な運動エネルギに変換する装置です。

モータを分類した一種類がステッピングモータです。ステッピングモータはパルスモータとも呼ばれており、

パルスで回転の角度や速度を制御することが可能なモータです。そのため、様々な業界の装置に利用されています。

バイポーラステッピングモーター 

回転の角度は、与えられるパルスの数に応じたステップ角度（1パルスで回転する角度）で動きます。

例えば、ステップ角度が1.8°のステッピングモータに100パルス与えると、180°回転させることができます。

速度は、パルス周波数に比例して変化します。周波数が低いと速度は遅く、高いと速くなります。

そして位置決めは、「パルスの数」と「パルス周波数」で決まるため、センサによるフィードバックが不要となります。

この様な「フィードバックが不要な制御方式」がステッピングモータ最大の特徴であるオープンループ制御です。

また、ステッピングモータは停止しているときにも保持力がありますので、機械的ブレーキに頼らなくても停止位置を保てます。

ステッピングモータの分類

1軸クローズドループステッピング CNCキット

［ロータ（回転子）による分類］

■VR型・・・回転子に歯車状のものを使用するものです。

■PM型・・・回転子に永久磁石を使用するものです。

■HB型・・・VR型とPM型を複合したものです。

［巻線方式による分類］

■ユニポーラ方式・・・巻線の電流を1方向に流す方式のものです。

■バイポーラ方式・・・巻線の電流を双方向に流す方式のものです。

［固定子による分類］

■2相・・・固定子が2つで構成されるものです。

■3相・・・固定子が3つで構成されるものです。

■5相・・・固定子が5つで構成されるものです。

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ステッピングモータの駆動運転

今回はステッピングモータの運転パターンや励磁方式、マイクロステップ駆動を紹介します。

９－２ ステッピングモータの駆動運転

ステッピングモータの運転パターン

矩形駆動（自起動運転パターン）

加速、減速区間を設けずに、起動、停止させる基本運転パターンです。 しかし、この運転は、自起動領域内でしか使用できません。

台形駆動（速度制御運転パターン）

加速、減速区間を設け、目標定速に達するまでパルス速度を徐々に変化させる運転です。 イナーシャが大きな場合の起動や、精度良く停止位置決めする場合などに用います。

ステッピングモータの励磁方式

各相のコイルへ決まった順番で電流を流す方式を励磁方式といいます。 励磁方式には、1相励磁、2相励磁、1-2相励磁の3種類が基本になります。 この励磁方式を運転用途（シーン）に応じて使い分けします。

1相励磁

主にユニポーラモータで使用します。 1相ずつ励磁位相を進める方式で、フルステップ駆動ともいいます。 消費電力は少なくなりますが、振動が発生し易くなります。

2相励磁

バイポーラモータでのフルステップ駆動方式です。 2相ずつ励磁位相を進める方式です。 ユニポーラモータの１相励磁よりも、 出力トルクが大きくダンピング性に優れており、より滑らかに動作します。

1-2相励磁

1相励磁と2相励磁を交互に繰り返す方式で、ハーフステップ駆動ともいいます。 モータのステップ角分解能は、1相や2相励磁方式の半分になります。 2相励磁よりも更に滑らかに動作します。

マイクロステップ駆動

フルステップ、ハーフステップ駆動が、2つのコイル電流をON/OFFし一定角ずつ回転させるのに対し、 マイクロステップ駆動は、2つのコイル電流比率を階段状に変化させることで、 更に細かいステップ角で回転させることができます。

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ステッピングモータの駆動ステップモード

一般的な駆動モードには次のものがあります。

・ウェーブドライブ（直接波形駆動）（１相励磁）

・フルステップ駆動（２相励磁）

・ハーフステップ駆動（１－２相励磁）

・マイクロステップ駆動（モータ電流を連続的に変化させる）

　

ウエーブドライブ／１相励磁では、ある時間内で巻線が１本だけ励磁されます。固定子は、Ａ→Ｂ→／Ａ→／

Ｂ（「／Ａ」はＡの反転論理を示す）というシーケンスに従って励磁され、回転子は位置８→２→４→６と移動

します。同じ巻線パラメータをもつユニポーラおよびバイポーラ巻線モータでは、この励磁モードでは機械的位

置は同じになります。この駆動モードの短所は、定められた時間内にユニポーラモータでは総モータ巻線の２５

％のみ、バイポーラモータでは５０％のみしか使用できないことです。このことは、モータから最大出力トルク

を得られていないことを意味します。

　

フルステップ駆動／２相励磁では、任意の時間に２つの相を励磁します。固定子は、Ａ・Ｂ→／Ａ・Ｂ→／

Ａ・／Ｂ→Ａ・／Ｂというシーケンスに従って励磁され、回転子は１→３→５→７と移動します。２相励磁で

は、１相励磁と同じ角移動量になりますが、機械的位置は１相励磁の１／２だけオフセットが加えられます。ユ

ニポーラ巻線モータのトルク出力は、バイポーラモータよりも低くなります（同じ巻線パラメータのモータの場

合）。これは、バイポーラモータが巻線全体を使用するのに対して、ユニポーラモータは使用可能な巻線の５０

％だけしか使用しないためです。

　

ハーフステップ駆動／１－２相励磁は、１相励磁と２相励磁を組み合わせたものです。２番目のステップごと

に、１つの相のみが励磁され、その他のステップでは各固定子の１フェーズが励磁されます。固定子は、Ａ・Ｂ

→Ｂ→／Ａ・Ｂ→／Ａ→／Ａ・／Ｂ→／Ｂ→Ａ・／Ｂ→Ａというシーケンスに従って励磁され、回転子は１→２

→３→４→５→６→７→８と移動します。この結果、角移動量は１相励磁または２相励磁の半分になります。１

－２相励磁によって、１相励磁または２相励磁で見られる共振現象が低減されます。

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