従来のステッパーでは処理できなかったため、通常はサーボによって実行されるタスクには、閉ループ ステッピング モーターが最適な選択肢となる可能性があります。

あらゆるタイプ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行うことができる最も重要な決定の 1 つは、モーターの選択です。タイプとサイズの両方の点で適切なモーターを入手することは、最終マシンの動作効率にとって不可欠です。さらに、モーターが予算を超えないようにすることが常に最大の関心事です。

決定を下す際に最初に答えるべき質問の 1 つは、どの種類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?低価格のステッパーの方が良いでしょうか？それとも、検討すべき 3 つ目の中途半端なオプションがあるでしょうか?

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タイプを決定する前に、対処すべき要素が数多くあります。

要件

モーターは 1 分間に何サイクル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どれくらいですか?

これらの重要な問題は、所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、定数の積によって計算できます。

ただし、この計算の性質上、特定の出力を生み出すトルクと速度のさまざまな組み合わせが存在します。したがって、同じような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可能性があります。

エンジニアは、最適に動作するモーターを自信を持って選択する前に、特定のサイズの負荷をどのくらいの速さで移動する必要があるかを知る必要があります。実行されるジョブも、モーターのトルク/速度曲線に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変化するかを示しています。 「最悪の場合」の想定 (つまり、ジョブに必要なトルクと速度の最大/最小量を決定) を使用すると、エンジニアは、選択したモーターが十分なトルク/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入る前に対処する必要があるもう 1 つの要素です。負荷の慣性とモーターの慣性の比較である慣性比を計算する必要があります。経験則の 1 つは、負荷の慣性がローターの慣性の 10 倍を超える場合、モーターの調整がより困難になり、性能が低下する可能性があるということです。しかし、このルールはテクノロジーごとに異なるだけでなく、サプライヤーごと、さらには製品ごとに異なります。アプリケーションの重要性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 で動作します。多くの人は、10 対 1 の比率を超えるモーターのサイズを好みません。

最後に、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はありますか。モーターにはさまざまな形状とサイズがあります。場合によっては、モーターが大きくかさばるため、特定のサイズのモーターを収容できない特定の操作もあります。情報に基づいて最適なタイプのモーターを決定するには、これらの物理仕様を認識し、理解する必要があります。

エンジニアは、速度、トルク、馬力、負荷慣性、物理的制限など、これらすべての質問に答えると、最も効率的なサイズのモーターに焦点を当てることができます。ただし、意思決定のプロセスはそこで終わりません。エンジニアは、どのタイプのモーターがアプリケーションに最適であるかを判断する必要もあります。長年にわたり、タイプの選択は、ほとんどのアプリケーションにおいて、サーボ モーターまたはオープン ループ ステッピング モーターの 2 つのオプションのいずれかに集約されてきました。

サーボとステッパー

サーボ モーターと開ループ ステッピング モーターの動作原理は似ています。ただし、この 2 つには重要な違いがあり、エンジニアは特定のアプリケーションにどちらのモーターが最適かを決定する前に、それらを理解する必要があります。

従来のサーボ システムでは、コントローラーはパルスと方向、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。一部のコントロールはバスベースの方法を使用する場合がありますが、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が使用されます。次に、ドライブはモーターの各相に適切な電流を送ります。モーターの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。ドライブはこの情報に基づいてモーターを適切に転流し、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 モーターとみなされ、エンコーダが内蔵されており、位置データが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詳細に制御できるようになります。コントローラーは、何かが正常に動作していない場合に、さまざまな程度で操作を調整できます。この種の重要な情報は、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 モーターは、モーターのドライブに送信されたコマンドに基づいて動作し、移動距離と速度を決定します。通常、この信号はステップと方向のコマンドです。ただし、開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、制御装置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。

たとえば、モーターのトルクが負荷を処理するのに十分でない場合、モーターが失速したり、特定のステップを実行できなくなったりする可能性があります。こうなると狙った位置に当たらなくなります。ステッピング モーターの開ループ特性を考慮すると、この不正確な位置がコントローラーに適切に伝達されず、コントローラーが調整できるようになります。

サーボ モーターには効率とパフォーマンスの点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 モーターを選択するのでしょうか?理由はいくつかあります。最も一般的なのは価格です。運用予算は、設計を決定する際の重要な考慮事項です。予算が厳しくなるにつれて、不必要なコストを削減するための決定を下す必要があります。これはモーター自体のコストを指すだけでなく、サーボに比べてステッピング モーターの方が日常および緊急のメンテナンスが安価になる傾向があります。したがって、サーボ モーターの利点がコストに見合わない場合は、標準のステッピング モーターで十分な場合があります。

純粋に操作の観点から見ると、ステッピング モーターは標準のサーボ モーターよりも著しく使いやすいです。ステッピング モーターの操作は非常に理解しやすく、構成も簡単です。ほとんどの担当者は、操作を過度に複雑にする理由がない場合は、物事をシンプルにすることに同意するでしょう。

2 つの異なるモーター タイプによってもたらされる利点は大きく異なります。サーボ モーターは、3,000 rpm を超える速度と高トルクのモーターが必要な場合に最適です。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 モーターが常に最適な選択であるとは限りません。サーボモーターは低速アプリケーションには過剰に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威力を発揮します。ステッピング モーターは、停止の再現性が高いだけでなく、高トルクを提供しながら低速で動作するように設計されています。この設計の性質上、ステッピング モーターを制御し、速度制限まで動作させることができます。一般的なステッピング モーターの速度制限は通常 1,000 rpm 未満ですが、サーボ モーターの定格速度は最大 3,000 rpm 以上、場合によっては 7,000 rpm を超えることもあります。

ステッパーのサイズが適切であれば、それは完璧な選択となる可能性があります。ただし、ステッピング モーターが開ループ構成で動作し、何か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データをすべて取得できない可能性があります。

開ループ問題の解決

過去数十年にわたり、開ループ ステッパーに関する従来の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。電源投入時、またはアプリケーション中に数回、モーターをセンサーにホーミングすることが 1 つの方法でした。シンプルではありますが、これにより操作が遅くなり、通常の操作プロセス中に発生する問題が捕捉されなくなります。

フィードバックを追加して、モーターが失速しているか、位置がずれているかを検出することも、別のアプローチです。モーションコントロール会社のエンジニアが「失速検出」と「位置維持」機能を開発しました。ステッピングモーターをサーボと同じように扱う、または少なくとも派手なアルゴリズムでステッピングモーターを模倣する、さらに進んだアプローチもいくつかあります。

モーターの広範な領域、つまりサーボと開ループ ステッピング モーターの中間には、閉ループ ステッピング モーターとして知られるやや新しいテクノロジーが存在します。これは、位置精度と低速が必要な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を意識した方法です。高解像度フィードバック デバイスを適用してループを閉じることで、エンジニアは「両方の長所」を享受できます。

閉ループ ステッピング モーターは、使いやすさ、シンプルさ、低速で安定して動作し正確に停止できる機能など、ステッピング モーターのすべての利点を備えています。さらに、サーボ モーターが提供するフィードバック機能も提供します。幸いなことに、サーボの最大の欠点である高価な価格を伴う必要はありません。

鍵は常に、開ループ ステッピング モーターの動作方法にあります。通常、コイルは 2 つ、場合によっては 5 つあり、それらの間で磁気平衡作用が行われます。動くと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、どれだけ遅れているかはオペレーターにはわかりません。停止点は開ループステッパーでは再現可能ですが、すべての負荷では再現できません。ステッパーにエンコーダーを取り付け、それを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、オペレーターは負荷が変動しても正確な位置で停止できます。

特定の用途に閉ループ ステッピング モーターを使用することによるこれらの利点により、モーション コントロール コミュニティにおけるこれらのモーターの人気が急激に高まりました。特に、半導体メーカーと医療機器メーカーという 2 つの著名な業界では、閉ループ ステッピング モーターの使用が明らかに増加しています。これらの業界のエンジニアは、モーターがベルトやボールネジに動力を供給するかどうかに関係なく、モーターが負荷やアクチュエーター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。これらのステッパーの閉ループフィードバックにより、ステッパー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、低速でもサーボよりも優れたパフォーマンスを提供できます。

一般に、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機能が必要なアプリケーションには、閉ループ ステッピング モーターが適しています。

オペレーターは、ドライブまたは制御装置が閉ループ 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ることに注意してください。歴史的には、背面にエンコーダーを備えたステッパーを入手できましたが、ドライブは標準のステッパー ドライブであり、エンコーダーをサポートしていませんでした。エンコーダをコントローラに戻す必要があり、特定の動作の終了時に位置検証を実装する必要がありました。これは、新しい閉ループ ステッピング 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、コントローラーを介さずに位置と速度の制御を動的か​​つ自動的に処理できます。