ステッピングモータ

ステッピングモータは入力パルス信号の数に比例した回転をするモータです。回転速度はパルス信号の周波数により可変でき、回転角度はパルス信号数により決まります。単位ステップ角はロータとステータの機械的構造により決められています。最大の特徴は位置検出機構が不要でオープンループ制御ができ、累積誤差がありません。また起動停止反転などの応答性が優れています。総じて低コスト対応ができ、ブラシレスのため長寿命でメンテナンスフリーです。

主な種類

VR 型（リラクタンス形）

磁性材で作られた歯車形状のロータ構造で、ステータ側の回転磁界によりロータを吸引反発させ、回転します。

PM 型（マグネット形）

多極マグネットを用いたロータ構造で、ステータ側の回転磁界によりロータを吸引反発させ、回転します。無励磁のときに、保持トルク（ディテントトルク）が発生します。

HB 型（複合、ハイブリッド形）

VR 型と PM 型の複合タイプで、磁性材の歯車形状をロータ外周部に持ち、内部軸方向に磁極を持つマグネットを有した構造であり、ステータ側の回転磁界によりロータを吸引反発させ、回転します。

駆動方式

ステッピングモータを駆動する場合は、モータの巻線に直流電圧及び電流を順次切りかえて励磁する必要があるため、ステッピングモータ専用のドライバーが必要になります。定電圧駆動回路と定電流駆動回路の二種類があります。

フルステップ方式

ステップ角が基本ステップ角度で駆動する方式です。（２相励磁）

ハーフステップ方式

ステップ角が基本ステップ角度の 1/2 の角度で駆動する方式です。（１相励磁）

マイクロステップ方式   （Nema 23 ステッピングモータドライバー 24-50VDC 1.5A-4.5A 256 マイクロステップM542T ）

ステップ角が基本ステップ角度の 1/N の角度で駆動する方式です。モータの巻線に流す電流を電気的手法で N 分解してモータを滑らかにさせる方式です。従って上記が矩形波に対して、正弦波に近い電流波形になり、共振帯は大幅に低減し低速回転時にも低振動な回転になります。

結線図

ユニポーラ方式  （ユニポーラステッピングモータ ）

モータ巻線に対し一方向の電流を流す駆動方式で回路構成が簡単です。巻線のインダクタンスが低く、高周波域での動作に有利です。

バイポーラ方式  （バイポーラステッピングモータ）

モータ巻線に対し正逆方向に電流を流す駆動方式で回路構成が複雑です。巻線の利用効率が高く低周波域での高トルクを必要とする場合に有利です。

用　途

プリンター、FAX、複合機から、アミューズメント、医療機器、梱包機に至るまで幅広い方面での実績あり。

三相複合形ステッピングモータの細分制御原理について

ステッピングモーターの細分制御は本質からステッピングモーターの固定子ワインディングの電流に制御することで、ステッピンッグモーターの内部の合成磁場がある要求によって変化し、ステッピンッグモーターのスッテプ角の細分を実現している。一般的な場合で、合成磁場のベクトルの振幅はモータの回転トルクの大小を決め、隣の合成磁場のベクトルの夾角の大小はステップ角の大小を決める。モータ中では均質で円形な回転磁場、各相ワインディングの合成磁場のベクトルを発生される。これは各相ワインディングは正弦電流を通すこと必要がある。

複合形ステッピングモータは永久磁気式と反応式の長所を合わせる。三相複合形ステッピングモータの働く原理は回転子の永久磁気磁石が高磁気という特性を持っているレアアース永久磁気の材料である。そのため、回転子から発生される感応電流は回転子の磁場に影響が無視できる。

仕組みから言えば、三相複合形ステッピングモータは多極対数の交流永久磁気の同期のモータに当たる。輸入する三相正弦電流だからこそ、発生した空間磁場が円形を呈し、永久磁気の同期のモータの仕組み模型を通して三相複合形ステッピングモータのトルクの特性を分析している。

a.モータの固定子の三相ワインディングは完全な対称である；

b.磁気飽和、渦巻きと鉄芯磨損のように無視できる；

C.励磁電流は動態に応じる過程がない。

三相複合形ステッピングモータの駆動システム中で、入力した220V交流は整流を通す直流になり、パルス同期変調技術によって三路段階式な正弦波形電流になる。正弦波形電流は固定なタイミングによってそれぞれ三路ワインディングを通し、ドライバから輸出する正弦電流の周波数を変わることによってモータの回転速度を改変する。輸出の段階数量がステップごとに回転した角度を確認し、角度が小さいほど段階数量が多い。

もちろん、ステッピングモーターは回転する時に、モータの各相ワインディングのインダクタンスが逆起電力を形成してい、周波数が高いほど、逆起電力が大きい。逆起電力の作用で、モータは周波数（また速度）の増大につれて電流が小さくなり、トルクも下がる。

三相複合形ステッピングモータは三相ワインディングがスター形状また三角形を連接する。電路の基本な定理によって、三相電流の和はゼロである。すなわちIU+IV+IW=0だ。だから、発生した二相ワインディングから給定信号を通して第三層ワインディングの給定信号が得られる。

出典：  三相複合形ステッピングモータの細分制御原理について

ドライバの駆動電圧と設置電流はステッピングモーターの性能にどれらの影響があるか?

電圧は速度に影響して、電流はトルクに影響している。

ステッピングモーターのモーメント角特性はある特定な電流電圧でテストするデータだ、電流電圧が変化が起こるときに、モーメント角特性も相応な変化が起こる。

相対的に言えば、同じな電流の場合で、電圧はステッピングモーターの速度により多く影響する。例えば、あるモータはDC24Vにあってアイドルでは最高が2100回が回転できる；DC48Vにあってアイドルでは最高が3200回に達する。同じな電圧の場合で、電流を調整することにはステッピングモーターの影響がより際立っている。

電流はトルクに影響して、電圧は速度に影響するというだけ正しくない。どんなに電流か電圧の変化でもステッピングモーターのモーメント角特性が改変している。すなわち、電圧を改変するのはステッピングモーターのトルクに改変されて、電流を改変するのはステッピングモーターの高速な性能の変化が起こる。

以下の内容には気をつけるべきだ：

第一、電圧を高めるあるいは電流を増大することはステッピングモーターに発熱をさせる。ステッピングモーターの温度が高すぎたら熱消磁が生じるので、一定な残量なモータ規格を選択するできるだけ；

第二、モータのトルクが充分な場合で、電流の設置は定格電より小さい位置を調整するできるだけ、ステッピングモーターとドライバの使用寿命を延ばすことができる；

第三、1つの定格電圧は80Vのドライバに私達が70Vぐらいで使うできるだけ。定格電圧はAC18-80Vにあるが、民間用電気と工業用電気が一定な電圧波動範囲が存在して、機械で通電とアブリの瞬間にピーク値の電流電圧がハイになるので、少しの残量を残すことは大いに修理率を下げる。

出典：ドライバの駆動電圧と設置電流はステッピングモーターの性能にどれらの影響があるか?

ステッピングモーターの基本

１パルス受け付ける毎に、1ステップ動く。

そんな理由から、パルスモーター や ステッピングモーター と呼ばれます。

ざっくり言うと、1秒毎にチクタク動く時計のさらに凄い奴ってことです。

まずは、その時計を想像してみましょう。

６０秒で３６０度、中心シャフトが回転しますよね。

という事は、３６０÷６０＝６

１パルスで６度動く訳です。これをステップ角と呼びます。

１分間に１回転なので、回転速度は1ｒｐｍ

立派な時計モーターです。

時計モーターを１８０度回したい（秒針を３０秒の場所）場合、３０パルス を与えれば良い訳ですね。

回転角度を自由に決められて、すごく便利です。

ちなみにモーター回転方向は、軸から本体の方向を見ての回転方向を言います。

時計周りだとClock Wise　（CWと言います。）

反時計回りはCounter Clock Wise　（CCWと言います。）

だけど、これはメカ屋さんの話

減速機や取り付け方で回転方向は色々変わって行くので、電気屋としては、逆に回るようならひっくり返す位のノリで十分でしょう。

ブラシレスDCモーターとAC同期モーターと同様の構造ですか？

DCブラシレスモータの基本構造は、永久磁石型の三相同期モータ本構造は同じですが、電気自動車用ならロータ位置を検出するセンサがついています。センサーレスタイプはモータ単体を見れば永久磁石型の三相同期モータそのものですが、ロータ位置をコイルの逆起電力のゼロクロスから検出するのでそれが出来ない起動時や極低速域では非同期で回転磁界を与えるしかなく特性が悪いです。

専用のコントローラ（ドライバー）が必要です（モータとコントローラペアでDCブラシレスモータは成立します）。モータとコントローラ間の電流は見掛け上交流になります。インバータは一方的に周波数を決めてモータに送りつけますがそれの周波数はモータの回転数に依存します。モータの回転数はPWMで電力制御されます。

（ステッピングモーター ）

と思っていたのですが、モータやドライブ回路などハードウェアは同じなのにベクトル制御なんていう手法もあったりするので、AC同期モータと呼ぶかDCブラシレスモータと呼ぶか、その違いは実はコントローラのソフトウェアや設計者の意志にあるのかもしれません。

・DCブラシレスモータ→方形波でドライブされ、速度制御がPWMによる電力制御主体で周波数が入力の電力やモータの負荷による結果論で、T-N、TーI特性がDCモータの特性を示すもの。特徴は起動トルクが強い。

・ACシンクロナス→（擬似）正弦波でドライブされ速度制御が周波数制御主体で電圧や位相を最適化する場合。特徴は騒音が少ない。