ステッピングモーターシステムは、モーションコントロール業界の基盤となる技術です。本稿では、オープンループシステムとクローズドループシステムの違いを解説するとともに、ステッピングモーターシステムをこれまで以上に高速、静音、そして高効率化するための最新技術開発についても説明します。

ステッピングモーターシステムは、電圧駆動とフルステッピングの初期の頃から大きく進化を遂げてきました。まずPWM駆動とマイクロステッピングが登場し、その後デジタル信号プロセッサ（DSP）と共振防止アルゴリズムが開発されました。そして現在、新しいクローズドループステッピング技術によって、ステッピングモーターは今後もモーションコントロール業界の基盤であり続けることが確実視されています。

直線運動であろうと回転運動であろうと、最適なモーターと駆動システムを決定する上で最も重要な2つの要素は、トルクと効率です。これは、最終用途が自動組立システム、マテリアルハンドリングマシン、3Dプリンター、直交座標ポジショナー、蠕動ポンプ、あるいはステッピングモーターが好んで用いられる無数のその他の用途のいずれであっても当てはまります。

ステッピングモーターシステムの最新の進歩は、低コストで高分解能のフィードバックデバイスと高度なDSPを応用して、ステッピングモーターの動作を閉ループ制御することです。このような制御により、閉ループステッピングモーターの性能が向上し、開ループシステムを凌駕します。後述するように、このような閉ループシステムの一つは、フィードバックデバイス、ドライバおよびコントローラボード、電源、通信およびI/Oエレクトロニクス、そしてモーターの側面と背面にあるシステムコネクタを含む統合モーター設計に基づいて実装されています。

オープンループ式ステッピングモーターシステムとクローズドループ式ステッピングモーターシステム
まず、高性能クローズドループステッピングシステムが、トルクと効率の点で従来のオープンループステッピングシステムとどのように異なるのかを見ていきましょう。

閉ループステッピングシステムは、開ループシステムに比べて優れた性能を発揮します。これは、両システムの加速度（トルク）、効率（消費電力）、位置誤差（精度）、発熱量、および騒音レベルを比較した実験結果からも明らかです。トルクと加速度の関係を考えてみましょう。トルク-速度曲線は、閉ループステッピングシステムの最大トルク範囲と連続トルク範囲、および開ループステッピングシステムの使用可能なトルク範囲を示しています。多くの場合、現実世界ではトルクは加速度に直結するため、トルクが大きいモーターほど、特定の負荷をより速く加速させることができます。

実験室でトルク性能のこの違いを検証するために、同じサイズのオープンループ式およびクローズドループ式のステッピングモーターシステムに同一の慣性負荷を与える。プログラミングによって、両システムに同一の動作プロファイルを実行するように指示するが、各システムで位置決め誤差が生じるまで、加速率と最高速度を徐々に増加させる。

開ループシステムが最大1,000回転/秒の加速率を得ると仮定します。²最高速度は10回転/秒（600rpm）です。この10回転/秒という最高速度は、トルク-速度曲線の平坦部分が終わる点に対応します。クローズドループシステムは（より高いトルク発生能力のため）、最大2,000回転/秒の加速率を実現します。²最高回転速度は毎秒20回転（1,200rpm）です。これはオープンループシステムの2倍の性能であり、動作時間を110ミリ秒から60ミリ秒へとほぼ半分に短縮します。

高いスループットが求められるアプリケーション（インデックス付け、エッジガイド位置決め、ピックアンドプレースシステムなど）では、クローズドループシステムが明らかに優れた性能を発揮します。

開ループ効率と閉ループ効率の比較

開ループシステムと閉ループシステムの相対的な効率を測定するために、同じサイズの2つのモーターを使用して同じテストを繰り返すと仮定します。今回は、閉ループモーターと開ループモーターを同じ慣性負荷で並行して動作させますが、動作プロファイルを一定かつ等しく保つプログラムを実行することで、両方のシステムが同じ量の仕事を行うようにします。

2つのモーターが同じ動作プロファイルを繰り返しインデックスしている間、2つのシステムに電力を供給するDC電源からの電流が測定され、消費電力が計算されます。値のグラフからわかるように、オープンループステッピングシステムの平均消費電力は43.8ワットですが、クローズドループシステムの平均消費電力はその3分の1、つまり14.2ワットです。この消費電力の劇的な違いは、クローズドループシステムの動作効率の高さを明確に示しています。オープンループステッピングシステムのシステム効率を向上させたいユーザーは、クローズドループシステムへの簡単なアップグレードを検討することで、消費電力の大幅な削減を期待できます。

モーターの過熱に対処する方法

消費電力テストの自然な延長として、モーターの発熱に関する調査があります。オープンループステッピングシステムはシンプルな構造です。モーターの定格電流に合わせてドライブを設定するだけで、ドライブは必要なトルクの有無に関わらず、常にその電流をモーターに供給しようとします。このため、アプリケーション機能へのエネルギー供給ではなく、熱が発生することが多く、オープンループステッピングシステムがクローズドループシステムよりも高温になる理由となっています。また、機械設計者はこの熱に対処するために追加の対策を講じる必要があり、多くの場合、人間の作業者の近くで動作するステッピングモーターの周囲に特別な保護カバーを設けたり、ファンなどの追加の冷却システムを設置したりします。

上記と同じ開ループシステムと閉ループシステムを用いて実験室で実施したモータ加熱試験の結果を考えてみましょう。この試験では、両システムは同じ慣性負荷を駆動して同じ量の仕事を生成し、熱平衡に達するまで動作させました。開ループシステムはケース温度が76.0℃に達するのに対し、閉ループシステムはわずか36.9℃で熱平衡に達しました。これは開ループシステムの半分以下の温度です。このようにモータの加熱が大幅に抑制されることで、機械メーカーは追加の保護装置や冷却サブシステムを省略できるため、部品コストを削減できます。

うるさいモーターはもうありません

オープンループステッピングモーターシステムに関するもう一つのよくある不満は、かなりの騒音を発するという点です。研究所、病院、オフィスなどの特定の環境では、この騒音は機械設計者にとって深刻な問題となる可能性があります。

ステッピングモーターから発生する騒音は、高周波とステータ歯における急激な磁束変化、そしてオープンループシステムが負荷に関係なく定格電流で動作することに起因します。一方、クローズドループステッピングシステムは、負荷を制御するのに必要なだけの電流をモーターに供給するため、騒音は大幅に低減されます。

本記事に掲載されている音響ノイズのグラフに示す試験結果を得るために、各システムの音響ノイズは防音室で測定されました。閉ループシステムは、0～20回転/秒の速度範囲において、開ループシステムよりも大幅に静かです。この速度範囲は、ステッピングモーターシステムが最も頻繁に使用される実際のアプリケーションの速度範囲と一致するため、ステッピングモーターアプリケーションの大部分は、閉ループシステムに切り替えることでモーターノイズの低減というメリットを享受できると考えられます。

モーターの精度を向上させて位置誤差を解消

オープンループステッピングモータシステムは、フィードバック機構やクローズドループ制御システムを用いずに負荷を正確に位置決めできるという利点から高く評価されていますが、これはオープンループシステムに十分なトルクマージンがあり、通常動作時に位置誤差が発生しない場合に限られます。精度を向上させ、より堅牢なシステム設計を実現するために、高分解能エンコーダからのフィードバックに基づいてサーボ位置ループを閉じることで、クローズドループシステムは、オープンループシステムでは位置誤差の原因となるトルク要求の増加を自動的に補償できるようになります。これにより、特にピックアンドプレースシステムや3Dプリンタなど、短く高速な動作と頻繁な方向転換が求められる高ダイナミックなアプリケーションにおいて、システム全体の精度が大幅に向上します。

既存のステッピングモーターシステムのアップグレード

統合型ステッピングモーターシステムの構成要素のうち、モーター、パワーアンプ、通信機器のコストは、一般的にオープンループからクローズドループに移行しても増加しません。制御エレクトロニクスは、モーターをサーボ制御するために若干の処理能力やメモリ容量を増やす必要があるかもしれませんが、これらは通常、定価に影響を与えません。オープンループとクローズドループのステッピングモーターシステムのコスト差の大部分は、高分解能フィードバックデバイスの追加によるものですが、製造技術の改良により、これらのデバイスはますます手頃な価格になっています。そのため、現在では、クローズドループステッピングモーターシステムは、従来のサーボなどの他のタイプの位置決めシステムと比較して、オープンループステッピングモーターシステムのコストメリットを維持しつつ、ほぼすべての面で性能が大幅に向上しています。通常、クローズドループシステムの省エネルギーとスループットの向上により、フィードバックデバイスのわずかなコスト増はすぐに回収できます。

オープンループステッピングモーターシステムからクローズドループシステムへのアップグレードは、コスト増を最小限に抑えつつ、NEMAフレームサイズに対応した製品群によって簡素化されます。クローズドループNEMA 23ステッピングモーターは、オープンループNEMA 23ステッピングモーターと同じフレームサイズ、パイロット径、ボルト穴円周、ボルト穴径を備えているため、取り付けブラケットはそのまま使用できます。クローズドループシステムではより大きなトルクが得られるため、クローズドループステッピングモーターのシャフト径が大きくなる場合がありますが、これは通常、シャフトカップリングを簡単に交換することで容易に解決できます。