あなたの用途に最適なのはどれでしょうか？速度、加速性能、価格目標など、重要な決定基準について見ていきましょう。

ステッピングモーター

ステッピングモーターは、永久磁石を備えた回転子と、巻線を保持する固定子で構成されています。固定子の巻線に電流が流れると、磁束分布が発生し、それが回転子の磁場分布と相互作用して回転力を生み出します。ステッピングモーターは極数が非常に多く、通常50以上です。ステッピングモータードライバーは各極を順番に励磁し、回転子を段階的に回転させます。極数が非常に多いため、動きは連続的に見えます。

理論的には、ギアボックスを使用してトルクを増やすことは可能ですが、ここでステッピングモーターの低速性が問題となります。1,200 RPMのステッピングモーターに10:1の減速ギアを追加すると、トルクは桁違いに向上する可能性がありますが、回転速度は120 RPMまで低下します。モーターをボールねじアクチュエーターなどの駆動に使用する場合、アプリケーションのニーズを満たすのに十分な速度が得られない可能性があります。

ステッピングモーターは一般的にNEMA 34より大きいフレームサイズでは入手できず、ほとんどの用途はNEMA 17またはNEMA 23のモーターサイズに該当します。そのため、1,000～2,000オンスインチを超えるトルクを発生できるステッピングモーターは稀です。

ステッピングモーターにも性能上の限界があります。ステッピングモーターはバネと質量のシステムと考えることができます。モーターは回転を開始して負荷を動かすために摩擦を克服する必要がありますが、その時点ではローターは完全に制御されていません。そのため、5ステップ進めるように指示しても、モーターは4ステップしか回転しないか、6ステップしか回転しない可能性があります。

しかし、ドライブがモーターに200ステップ進むように指令した場合、モーターはわずか数ステップの誤差で動作します。これは、その時点では数パーセントの誤差に相当します。ステッピングモーターは通常、1回転あたり25,000～50,000カウントの分解能で制御されますが、モーターは負荷のかかるバネ・質量系であるため、実際の分解能は1回転あたり2,000～6,000カウントです。それでも、この分解能では、200ステップの移動でも1度のごく一部に相当します。

エンコーダーを追加することで、システムは動きを正確に追跡できるようになりますが、モーターの基本的な物理的限界を克服することはできません。位置決め精度と分解能の向上が求められる用途には、サーボモーターの方が優れたソリューションとなります。

サーボモーター

ステッピングモーターと同様に、サーボモーターにも多くの実装形態があります。ここでは、永久磁石を備えたローターと巻線を備えた固定ステーターを組み合わせた、最も一般的な設計について考えてみましょう。ここでも、電流によって磁場分布が生成され、それがローターに作用してトルクが発生します。ただし、サーボモーターはステッピングモーターよりも極数が大幅に少ないため、閉ループ制御で動作させる必要があります。

閉ループ制御では、コントローラ／ドライブが負荷を特定の位置に保つよう指令すると、モータは負荷をその位置に保持するために継続的に調整を行います。したがって、サーボモータは事実上の保持トルクを発揮できます。ただし、ゼロ速度トルクを実現するには、モータが負荷を適切に制御し、指令位置での振動を防ぐように適切なサイズに選定されている必要があります。

サーボモーターは一般的に希土類磁石を使用するのに対し、ステッピングモーターはより安価な従来型の磁石を使用することが多い。希土類磁石を使用することで、小型ながら高トルクを実現できる。また、サーボモーターは本体サイズも大きいため、トルク面で有利となる。サーボモーターの直径は通常、NEMA 17から最大220mmまでである。これらの要因が複合的に作用することで、サーボモーターは最大250フィートポンドのトルクを発揮できる。

サーボモーターは、速度とトルクの組み合わせにより、ステッピングモーターよりも優れた加速性能を発揮します。また、閉ループ制御により、位置決め精度も向上します。

最後に

サーボモーターは、性能面で圧倒的な優位性を提供します。しかし、再現性という点では、ステッピングモーターも十分に競争力があります。ここで、ステッピングモーターに関するよくある誤解、つまり「ステップロス」という神話が浮上します。以前にも述べたように、ステッピングモーターの質量-バネ構造により、ステップロスが発生する場合があります。しかし、駆動部がステッピングモーターに角度位置への移動を指示しているため、ステップロスは回転ごとに引き継がれません。回転ごとの再現性は、ステッピングモーターで非常に高いのです。このトピックについては、今後のブログ記事でさらに詳しく解説します。

上記の議論を踏まえると、ステッピングモーター軸とサーボモーター軸の最後の重要な違いはコストです。ステッピングモーターは通常フィードバックを必要とせず、より安価な磁石を使用し、ギアボックスを組み込むことはほとんどありません。極数が多く、保持トルクを発生させることができるため、ゼロ速度時の消費電力が少なくなります。その結果、ステッピングモーターは同等のサーボモーターよりも最大で1桁安価になる可能性があります。

要約すると、ステッピングモーターは、低速、低加速度、低精度が求められる用途に適したソリューションです。また、ステッピングモーターは小型で安価な傾向があります。そのため、医療、バイオテクノロジー、セキュリティおよび防衛、半導体製造などの用途に適しています。一方、サーボモーターは、高速、高加速度、高精度が求められるシステムに適しています。ただし、コストと複雑さが高くなります。サーボモーターは、一般的に包装、加工、ウェブ処理などの用途で使用されています。

用途によっては多少の誤差は許容できるものの、予算に限りがある場合は、ステッピングモーターを検討してください。性能が最優先事項であれば、サーボモーターでも十分ですが、その分費用は高くなります。