クローズドループ ステッピング モーターは、従来のステッパーでは処理できないため、通常はサーボで実行されるタスクに最適な選択肢となる可能性があります。

あらゆる種類のモーション制御プロセスを設計する際にエンジニアが下す重要な決定の一つは、モーターの選択です。タイプとサイズの両面から適切なモーターを選択することは、最終的な機械の稼働効率にとって不可欠です。さらに、モーターのコストが予算を超過しないことも常に最優先事項です。

決定を下す際に最初に答えなければならない質問の一つは、「どのタイプのモーターが最適か？」ということです。アプリケーションには高性能サーボモーターが必要ですか？低コストのステッパーの方が良いでしょうか？あるいは、検討すべき中間的な選択肢があるでしょうか？

答えは、特定のアプリケーションのニーズから始まります。特定のアプリケーションに最適なモーターの種類を決定する前に、考慮すべき要素は数多くあります。

要件

モーターは1分間に何回サイクルを回す必要がありますか？ どのくらいのトルクが必要ですか？ 必要なピーク速度はどれくらいですか？

これらの重要な質問は、特定の馬力のモーターを選択するだけでは解決できません。

モーターの出力はトルクと速度の組み合わせであり、速度、トルク、定数を掛け合わせて計算できます。

しかし、この計算の性質上、特定の出力を得るにはトルクと速度の様々な組み合わせが存在します。そのため、同じ出力定格を持つ異なるモーターでも、速度とトルクの組み合わせによって動作が異なる場合があります。

エンジニアは、最適なモータを自信を持って選定するために、特定のサイズの負荷をどれだけの速度で動かす必要があるかを把握する必要があります。また、実行する作業は、モータのトルク/速度曲線の範囲内にある必要があります。この曲線は、モータのトルクが動作中にどのように変化するかを示しています。「最悪のケース」の仮定（つまり、作業に必要なトルクと速度の最大値/最小値を決定すること）を用いることで、エンジニアは選択したモータが十分なトルク/速度曲線を備えていると確信できます。

モーターの選択という意思決定プロセスに入る前に、負荷の慣性も考慮すべき要素です。負荷の慣性とモーターの慣性を比較した慣性比を計算する必要があります。経験則として、負荷の慣性がローターの10倍を超えると、モーターのチューニングが難しくなり、性能が低下する可能性があります。しかし、このルールは技術だけでなく、サプライヤーや製品によっても異なります。アプリケーションの重要度も、この決定に影響します。製品によっては最大30対1の慣性比に対応しているものもありますが、ダイレクトドライブは最大200対1で動作します。10対1の慣性比を超えるモーターのサイズ設定は、多くの人に好まれません。

最後に、特定のモーターを他のモーターよりも制限するような物理的な制約があるかどうかです。モーターには様々な形状やサイズがあります。場合によっては、モーターが大きくかさばる場合があり、また、特定のサイズのモーターを収容できない用途もあります。最適なモーターの種類を決定する前に、これらの物理的仕様を認識し、理解しておく必要があります。

エンジニアは、速度、トルク、馬力、負荷慣性、物理的制約といったすべての質問に答えることで、最も効率的なサイズのモーターを絞り込むことができます。しかし、意思決定プロセスはそこで終わりません。エンジニアは、アプリケーションに最適なモーターの種類も検討する必要があります。長年にわたり、ほとんどのアプリケーションでは、モーターの種類の選択はサーボモーターかオープンループステッピングモーターの2つに絞られてきました。

サーボとステッパー

サーボモーターとオープンループステッピングモーターの動作原理は似ています。しかし、エンジニアは特定のアプリケーションに最適なモーターを決定する前に、両者の間に重要な違いを理解しておく必要があります。

従来のサーボシステムでは、コントローラはパルスと方向、または位置、速度、トルクに関連するアナログコマンドを介してモーターのドライブにコマンドを送信します。一部のコントローラではバスベースの方法を使用することがありますが、最新のコントローラでは通常、イーサネットベースの通信方法です。ドライブはモーターの各相に適切な電流を送ります。モーターからのフィードバックはモーターのドライブに循環的に送られ、必要に応じてコントローラにも送られます。ドライブはこの情報に基づいてモーターを適切に整流し、モーターシャフトの動的位置に関する正確な情報を送信します。そのため、サーボモーターはクローズドループモーターと見なされ、エンコーダーを内蔵しており、位置データはコントローラに頻繁に送られます。このフィードバックにより、コントローラはモーターをより詳細に制御できます。何かが正常に動作していない場合、コントローラはさまざまな程度で動作を調整できます。このような重要な情報は、オープンループステッピングモーターでは提供できない利点です。

ステッピングモーターも、モーターの駆動部に送られるコマンドに基づいて動作し、移動距離と速度を制御します。通常、この信号はステップと方向を指定するコマンドです。しかし、オープンループステッピングモーターはオペレータにフィードバックを提供できないため、制御は状況を適切に評価してモーターの動作を改善するための調整を行うことができません。

例えば、モーターのトルクが負荷に対応できない場合、モーターはストールしたり、特定のステップをミスしたりする可能性があります。このような状況が発生すると、目標位置に到達できません。ステッピングモーターのオープンループ特性を考慮すると、この不正確な位置決めはコントローラーに適切に伝えられず、コントローラーは調整を行うことができません。

サーボモーターは効率と性能の面で明らかな利点があるように見えますが、なぜステッピングモーターを選ぶのでしょうか？理由はいくつかあります。最も一般的な理由は価格です。運用予算は、あらゆる設計決定において重要な考慮事項です。予算が厳しくなるにつれて、不要なコストを削減する決断を迫られます。これはモーター自体のコストだけでなく、ステッピングモーターはサーボモーターに比べて日常的なメンテナンスや緊急メンテナンスの費用が安い傾向があります。したがって、サーボモーターのメリットがそのコストを正当化しない場合は、標準的なステッピングモーターで十分かもしれません。

純粋に操作面から見ると、ステッピングモーターは標準的なサーボモーターよりもはるかに使いやすいです。ステッピングモーターの操作は理解しやすく、設定も簡単です。操作を過度に複雑にする必要がないのであれば、シンプルにしておくべきであることに、ほとんどの担当者が同意するでしょう。

2種類のモーターにはそれぞれ大きな違いがあり、それぞれにメリットがあります。3,000rpm以上の回転速度と高トルクが必要なモーターには、サーボモーターが最適です。しかし、数百rpm以下の回転速度しか必要としないアプリケーションでは、サーボモーターが必ずしも最適な選択肢とは限りません。低速アプリケーションでは、サーボモーターは過剰な性能となる可能性があります。

低速アプリケーションでは、ステッピングモーターが最適なソリューションとして真価を発揮します。ステッピングモーターは、停止動作の再現性に優れているだけでなく、低速で動作しながらも高いトルクを発生するように設計されています。この設計特性上、ステッピングモーターは速度制限まで制御・駆動することが可能です。一般的なステッピングモーターの速度制限は通常1,000rpm未満ですが、サーボモーターは定格速度が3,000rpm以上、場合によっては7,000rpmを超えることもあります。

ステッピングモーターのサイズが適切であれば、最適な選択肢となり得ます。しかし、ステッピングモーターがオープンループ構成で動作しているときに何らかの問題が発生した場合、オペレーターは問題を解決するために必要なすべてのデータを取得できない可能性があります。

オープンループ問題の解決

過去数十年にわたり、オープンループステッピングモータの従来の問題を解決するために、様々なアプローチが提案されてきました。例えば、電源投入時、あるいはアプリケーション実行中に複数回、モータをセンサーにホーミングさせるという手法があります。これは単純ですが、動作速度を低下させ、通常の動作プロセス中に発生する問題を捕捉することができません。

モーターの失速や位置ずれを検知するためのフィードバック機能を追加することも、別のアプローチです。モーションコントロール企業のエンジニアは、「失速検知」や「位置維持」といった機能を開発しました。さらに進化したアプローチとして、ステッピングモーターをサーボのように扱う、あるいは少なくとも高度なアルゴリズムでサーボを模倣するものもあります。

モーターの幅広いスペクトルにおいて、サーボモーターとオープンループステッピングモーターの中間に位置する、比較的新しい技術がクローズドループステッピングモーターです。これは、位置精度と低速動作が求められるアプリケーションの問題を解決する、最良かつ最もコスト効率の高い方法です。高解像度のフィードバックデバイスを用いてクローズドループを実現することで、エンジニアは「両方の長所」を享受できます。

クローズドループステッピングモーターは、ステッピングモーターの利点をすべて備えています。使いやすさ、シンプルさ、そして低速で安定した動作と正確な停止性能です。さらに、サーボモーターと同様のフィードバック機能も備えています。幸いなことに、サーボモーターの最大の欠点である価格の高さは、このモーターには付き物ではありません。

鍵となるのは、オープンループステッピングモーターの動作原理です。通常、2つのコイル（時には5つ）があり、それらの間に磁気的なバランス調整作用が働いています。動きによってこのバランスが崩れ、モーターのシャフトが電気的に遅れますが、オペレーターはどの程度遅れているかを知ることができません。オープンループステッピングモーターでは停止点を再現できますが、あらゆる負荷に対して再現できるわけではありません。ステッピングモーターにエンコーダーを搭載し、閉ループにすることで、ある程度の動的な制御が可能になります。これにより、オペレーターは負荷が変化しても正確な位置で停止させることができます。

特定の用途において閉ループステッピングモータを使用することで得られるこれらの利点により、モーションコントロール分野におけるこれらのモータの人気は急上昇しています。特に、半導体メーカーと医療機器メーカーという2つの主要産業において、閉ループステッピングモータの使用が明らかに増加しています。これらの産業のエンジニアは、ベルト駆動であれボールねじ駆動であれ、モータが負荷やアクチュエータをどこに配置しているかを正確に把握する必要があります。これらのステッピングモータに搭載された閉ループフィードバックにより、モータの位置を正確に把握できます。また、これらのステッピングモータは低速域ではサーボモータよりも優れた性能を発揮します。

一般的に、サーボ モーターよりも低コストで保証されたパフォーマンスを必要とし、比較的低速で動作する必要があるアプリケーションは、閉ループ ステッピング モーターに適しています。

オペレーターは、ドライブまたは制御装置がクローズドループステッピングモーターをサポートしていることを確認する必要があります。従来、背面にエンコーダを搭載したステッピングモーターはありましたが、ドライブは標準的なステッピングモーターであり、エンコーダをサポートしていませんでした。そのため、エンコーダをコントローラーに戻し、特定の動作の最後に位置検証を行う必要がありました。しかし、新しいクローズドループステッピングモーターでは、これは不要です。クローズドループステッピングモーターは、コントローラーを介さずに位置と速度の制御を動的か​​つ自動的に行うことができます。