あなたのアプリケーションにはどれが適しているでしょうか？速度、加速、価格目標など、重要な決定基準を検討してみましょう。

ステッピングモーター

ステッピングモーターは、永久磁石を備えたローターと、巻線を担う固定されたステーターで構成されています。ステーター巻線に電流が流れると、磁束分布が生成され、ローター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、通常50極以上と非常に多くの極数を備えています。ステッピングモータードライバは、各極に順番に通電することで、ローターを一連の増分、つまりステップで回転させます。極数が非常に多いため、動きは連続的に見えます。

理論上はギアボックスを使用してトルクを増加させることは可能ですが、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のギア減速機を追加すると、トルクは1桁増加する可能性がありますが、回転数は120 RPMまで低下します。このモーターをボールねじアクチュエータ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通常、NEMA 34より大きいフレームサイズでは提供されておらず、ほとんどのアプリケーションではNEMA 17またはNEMA 23のモーターサイズが使用されています。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を見つけることは稀です。

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・マス系と考えることができます。モーターが回転して負荷を動かすには摩擦を解消する必要があり、こ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ステップ進むというコマンドに対して、モーターは4ステップ、あるいは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ステップ進むよう指示した場合、その誤差はわずか数ステップ以内であり、その時点では数パーセントの誤差となります。ステッピングモーターには通常、1回転あたり25,000～50,000カウントの分解能で指示しますが、モーターは負荷がかかったバネ質量系であるため、通常は1回転あたり2,000～6,000カウントです。それでも、これらの分解能では、200ステップの移動でさえ、1度未満の移動に相当します。

エンコーダを追加すると、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特性を克服することはできません。より高い位置決め精度と分解能が求められるアプリケーションには、サーボモーターがより適し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様々な実装方法があります。ここでは最も一般的な設計、つまり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設計を考えてみましょう。この場合も、電流によってローターに作用する磁界分布が生成され、トルクが発生します。ただし、サーボモーターの極数はステッピングモーターに比べて大幅に少ないため、閉ループで動作させる必要があります。

閉ループ動作では、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示し、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生できます。ただし、ゼロ速度トルクのシナリオは、負荷を制御し、指示された位置での振動を防止するためにモータが適切に設計されていることを前提としています。

サーボモーターは一般的に希土類磁石を使用しますが、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です。希土類磁石を使用することで、小型パッケージでより高いトルクを実現できます。また、サーボモーターは全体的なサイズによってトルクの優位性も得られます。サーボモーターの直径は通常、NEMA 17から220 mmまでの範囲です。これらの要因を組み合わせることで、サーボモーターは最大250フィートポンドのトルクを発生できます。

速度とトルクの組み合わせにより、サーボモーターは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、閉ループ動作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紛れもない優位性を持っています。しかし、再現性という点では、ステッピングモーターに匹敵するほどの競争力があります。この点は、ステッピングモーターに関するよくある誤解、つまり「ロストモーション」という誤解を想起させます。前述のように、ステッピングモーターはバネのようなマスの性質を持つため、多少のロストステップが発生する可能性があります。しかし、駆動装置はステッピングモーターに角度位置への移動を指示するため、ロストステップは回転ごとに持ち越されません。ステッピングモーターは回転ごとに高い再現性を備えています。このトピックについては、今後のブログ投稿でより詳細な説明を予定しています。

以上の議論から、ステッピングモータとサーボモータの最終的な重要な違い、つまりコストについて触れることができます。ステッピングモータは通常、フィードバックを必要とせず、安価な磁石を使用し、ギアボックスを内蔵する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は同等のサーボモータに比べて最大で1桁も安価になる場合があります。

まとめると、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アプリケーション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である傾向があり、医療、バイオテクノロジー、セキュリティ・防衛、半導体製造などのアプリケーションに適しています。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、その代償として、コストと複雑さが増します。サーボモーターは、包装、加工、ウェブ加工などのアプリケーションで一般的に使用されています。

アプリケーションに余裕があるのに予算が限られている場合は、ステッピングモーターをご検討ください。パフォーマンスを最優先する場合は、サーボモーターでも十分ですが、多少のコストがかかることを覚悟してください。