閉ループステッパーモーターは、従来のステッパーがそれらを処理できなかったため、サーボによって通常行われるタスクに最適な選択肢かもしれません。

エンジニアがあらゆるタイプのモーション制御プロセスを設計するときに行うことができるより重要な決定の1つは、モーターを選択することです。タイプとサイズの両方で、適切なモーターを取得することは、最終的なマシンの運用効率に不可欠です。さらに、モーターが予算を破らないようにすることは、常に主要な関心事です。

決定を下す際に答える最初の質問の1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？それとも、考慮すべき3番目の、真ん中の道路オプションがありますか？

回答は、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理想的なモーターのタイプを決定する前に、対処すべき多くの要因があります。

要件

モーターを1分あたり何サイクルにする必要がありますか？どのくらいのトルクが必要ですか？必要なピーク速度はいくらですか？

これらの重要な質問は、特定の馬力を持つモーターを選択するだけでは対処することはできません。

モーターの出力は、速度、トルク、および定数の乗算によって計算できるトルクと速度の組み合わせです。

ただし、この計算の性質により、特定の出力を生成するトルクと速度のさまざまな組み合わせがあります。したがって、同様の電力評価を持つ異なるモーターは、速度とトルクの組み合わせにより、異なる動作をする可能性があります。

エンジニアは、特定のサイズの負荷がどれだけ速く移動する必要があるかを知る必要があります。実行されるジョブは、モーターのトルク/速度曲線にも該当する必要があります。この曲線は、動作中にモーターのトルクがどのように異なるかを示しています。 「最悪の」仮定（言い換えれば、ジョブが必要とするトルクの最大/最小量を決定し、速度を決定する）を使用して、エンジニアは選択したモーターに十分なトルク/速度曲線を持っていると確信できます。

負荷の慣性は、モーターを選択する意思決定プロセスに飛び込む前に対処する必要がある別の要因です。慣性比を計算する必要があります。これは、負荷の慣性とモーターの慣性の比較です。経験則には、荷重の慣性がローターの10倍を超えると、モーターの調整がより困難であり、性能が低下する可能性があると述べています。しかし、このルールは、テクノロジーからテクノロジーまでだけでなく、サプライヤーからサプライヤー、さらには製品までさまざまです。アプリケーションがどれほど重要であるかもこの決定に影響します。一部の製品は、最大30対1の比率を処理しますが、ダイレクトドライブは最大200対1で実行されます。多くの人は、10対1の比率を超えるモーターのサイジングが好きではありません。

最後に、ある特定のモーターを別のモーターよりも制限する物理的な制限がありますか。モーターにはさまざまな形とサイズがあります。場合によっては、モーターは大きくてかさばっており、特定のサイズのモーターを収容できない特定の操作があります。最良のタイプのモーターについて情報に基づいた決定を下す前に、これらの物理仕様を認識して理解する必要があります。

エンジニアがこれらのすべての質問（速度、トルク、馬力、負荷慣性、および物理的な制限）に答えたら、最も効率的なサイズのモーターにゼロになります。ただし、意思決定プロセスはそこで止まりません。エンジニアはまた、アプリケーションに最適なモーターの種類を把握する必要があります。何年もの間、ほとんどのアプリケーションの2つのオプションのいずれかに要約されたタイプの選択は、サーボモーターまたはオープンループステッパーモーターの2つのオプションです。

サーボとステッパー

サーボおよびオープンループステッピングモーターの動作原則は似ています。ただし、特定のアプリケーションに理想的なモーターを決定する前に、エンジニアが理解しなければならない2つの間には重要な違いがあります。

従来のサーボシステムでは、コントローラーがパルスと方向または位置、速度、または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。一部のコントロールは、最新のコントロールでは通常、イーサネットベースの通信方法であるバスベースの方法を使用する場合があります。その後、ドライブはモーターの各フェーズに適切な電流を送信します。モーターフィードバックは、モーターのドライブに戻り、必要に応じてコントローラーに戻ります。このドライブは、この情報に依存して、モーターを適切に通勤し、モーターシャフトの動的位置に関する適切な情報を送信します。そのため、サーボモーターは閉ループモーターと見なされ、内蔵エンコーダーが含まれており、位置データは頻繁にコントローラーに供給されます。このフィードバックにより、コントローラーはモーターをより制御することができます。コントローラーは、何かが本来のように実行されていない場合、さまざまな程度で操作を調整できます。このタイプの重要な情報は、特典オープンループステッパーモーターズが提供できない利点です。

Stepper Motorsは、移動距離と速度を決定するために、モーターのドライブに送信されたコマンドでも動作します。通常、この信号はステップアンドダイレクトコマンドです。ただし、オープンループステッパーはオペレーターにフィードバックを提供できないため、コントロールは状況を適切に評価し、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。

たとえば、モーターのトルクが荷重を処理するのに十分でない場合、モーターは特定のステップを失速させるか、見逃します。これが発生した場合、ターゲット位置はヒットしません。ステッパーモーターのオープンループ特性を念頭に置いているため、この不正確な位置は、調整を行うことができるため、コントローラーに適切に中継されません。

サーボモーターは、効率とパフォーマンスの点で明確な利点を持っているようです。なぜ誰かがステッパーモーターを選ぶのでしょうか？いくつかの理由があります。最も一般的なものは価格です。運用予算は、設計上の決定を下す上で重要な考慮事項です。予算が強化されると、不必要なコストを削減することを決定する必要があります。これはモーター自体のコストを指すだけでなく、サーボとは対照的に、ステッパーモーターの場合、日常的および緊急メンテナンスは安価になる傾向があります。したがって、サーボモーターの利点がそのコストを正当化しない場合、標準的なステッピングモーターで十分かもしれません。

純粋に運用上の観点から、ステッパーモーターは標準的なサーボモーターよりも特に使いやすいです。ステッピングモーターの操作は、理解するのがはるかに簡単で、構成が簡単です。ほとんどの職員は、運用を過度に複雑にする理由がなければ、物事をシンプルに保つことに同意するでしょう。

2つの異なるモータータイプが提供する利点は非常に異なります。サーボモーターは、3,000 rpmを超える速度と高トルクを備えたモーターが必要な場合に理想的です。ただし、数百rpm以下の速度のみを必要とするアプリケーションの場合、サーボモーターが必ずしも最良の選択ではありません。サーボモーターは、低速アプリケーションでは過剰になる可能性があります。

低速アプリケーションは、ステッパーモーターズが可能な限り最良のソリューションとして輝く場所です。ステッピングモーターは、停止に関して再現可能であるだけでなく、高速で走行しながら高速で走るように設計されています。この設計の性質上、ステッパーモーターは制御し、速度制限まで走ることができます。典型的なステッピングモーターの速度制限は通常1,000 rpm未満ですが、サーボモーターは速度を最大3,000 rpm以上と評価することができます。

ステッピングのサイズが正しくある場合、それは完璧な選択になる可能性があります。ただし、ステッピングモーターがオープンループ構成で実行され、何かがうまくいかない場合、オペレーターは問題を修正するために必要なすべてのデータを取得できない場合があります。

オープンループの問題を解決します

過去数十年にわたって、オープンループステッパーの伝統的な問題を解決するために、いくつかの異なるアプローチが提供されてきました。パワーアップ時にモーターをセンサーにホーム化するか、アプリケーション中に数回ホーミングすることは、1つの方法でした。単純ですが、これは操作を遅くし、通常の動作プロセス中に発生する問題を把握しません。

フィードバックを追加して、モーターが失速しているか、位置が不足しているかを検出することが別のアプローチです。モーションコントロール会社のエンジニアは、「ストール検出」および「ポジションメンテナンス」機能を作成しました。 Stepper Motorsをサーボのように処理するか、少なくとも派手なアルゴリズムでそれらを模倣するいくつかのアプローチさえ進んでいます。

サーボとオープンループステッパーモーターの間のモーターの壮大なスペクトルには、閉ループステッパーモーターとして知られるやや新しい技術があります。これは、位置の精度と低速を必要とするアプリケーションの問題を解決するための最良かつ最もコストに敏感な方法です。ループを閉じるために高解像度のフィードバックデバイスを適用することにより、エンジニアは「両方の世界のベスト」を楽しむことができます。

閉ループステッパーモーターは、ステッパーモーターのすべての利点を提供します。使いやすさ、シンプルさ、および正確な停止で一貫して低速で走る能力。さらに、彼らはまだフィードバック機能サーボモーターを提供しています。幸いなことに、サーボの最大の欠点、つまりより大きな値札を付ける必要はありません。

キーは常に、オープンループステッパーモーターの動作方法です。彼らは通常、2つのコイルを持っています。時には5つのコイルがあり、それらの間で磁気バランスをとる行為が行われます。動きはこのバランスを乱し、モーターのシャフトが電気的に遅れて落ちますが、オペレーターはどれだけ遅れているかを知ることができません。停止点は、オープンループステッパーでは再現可能ですが、すべての負荷では繰り返し可能です。ステッピングにエンコーダーを置き、閉ループにすることで、動的な制御が可能になります。これにより、オペレーターはさまざまな負荷の下で正確な場所で停止できます。

これらの利点は、特定の用途に閉ループステッパーモーターを使用することで、モーションコントロールコミュニティのこれらのモーターの人気を大幅に高めています。具体的には、2つの著名な産業、半導体、医療機器メーカーでは、閉ループステッパーモーターを使用することで明らかに増加しています。これらの産業のエンジニアは、モーターがベルトネジまたはボールスクリューを動かすかどうかにかかわらず、モーターが荷重またはアクチュエーターを配置した場所を正確に知る必要があります。これらのステッパーの閉ループフィードバックにより、彼らはそれがどこにあるかを正確に知ることができます。これらのステッパーは、低速でサーボよりも優れたパフォーマンスを提供することもできます。

一般に、サーボモーターよりも低コストでパフォーマンスを保証する必要があるアプリケーションは、比較的低速で実行する能力は、閉ループステッパーモーターの適切な候補です。

オペレーターは、ドライブまたはコントロールが閉ループステッピングモーターをサポートすることを確認する必要があることに留意してください。歴史的には、その背面にエンコーダーが付いたステッパーを入手できますが、ドライブは標準的なステッピングドライブであり、エンコーダをサポートしていませんでした。エンコーダーはコントローラーに戻す必要があり、特定の動きの終わりに位置確認を実装する必要があります。これは、新しい閉ループステッパードライブでは必要ありません。閉ループステッピングドライブは、コントローラーを巻き込むことなく、動的かつ自動的に位置と速度制御を処理できます。