クローズドループステッピングモーターは、従来型のステッピングモーターでは対応できなかった、サーボモーターが通常行うような作業に最適な選択肢となる可能性がある。

あらゆる種類のモーションコントロールプロセスを設計する際に、エンジニアが下す最も重要な決定の一つは、モーターの選定です。種類とサイズの両面で適切なモーターを選ぶことは、最終的な機械の動作効率にとって不可欠です。さらに、モーターが予算をオーバーしないようにすることも常に最優先事項です。

決定を下す際に最初に答えるべき質問の一つは、「どのタイプのモーターが最適か？」ということです。用途によっては高性能なサーボモーターが必要でしょうか？それとも低コストのステッピングモーターの方が良いでしょうか？あるいは、中間的な選択肢を検討すべきでしょうか？

答えは、まず具体的な用途のニーズから見ていく必要があります。どのような用途にも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分間に何回転する必要がありますか？必要なトルクはどれくらいですか？必要な最高速度はどれくらいですか？

これらの重要な問題は、単に特定の馬力を持つモーターを選ぶだけでは解決できない。

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、および定数を掛け合わせることで計算できます。

しかし、この計算方法の性質上、特定の出力を得るためのトルクと速度の組み合わせは多岐にわたります。そのため、出力定格が似ているモーターでも、速度とトルクの組み合わせによって動作特性が異なる場合があります。

エンジニアは、最適なモーターを確実に選定するために、特定のサイズの負荷をどのくらいの速度で移動させる必要があるかを把握しておく必要があります。また、実施する作業は、モーターのトルク／速度曲線の範囲内に収まる必要があります。この曲線は、モーターの動作中にトルクがどのように変化するかを示します。「最悪のケース」を想定して（つまり、作業に必要な最大／最小トルクと速度を決定することで）、エンジニアは選択したモーターが十分なトルク／速度曲線を備えていることを確信できます。

負荷の慣性も、モーター選択の意思決定プロセスに入る前に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慣性の10倍を超えると、モーターの調整が難しくなり、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。一部の製品は最大30対1の比率に対応し、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を超える比率のモーターを選定することを好みません。

最後に、特定のモーターが他のモーターよりも優れている理由となる物理的な制約はあるのでしょうか。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、モーターが大型でかさばるものもあり、特定のサイズのモーターを設置できない作業環境も存在します。最適なモーターの種類について十分な情報に基づいた判断を下すには、これらの物理的な仕様を認識し、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、物理的な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ではありません。エンジニアは、用途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、ほとんどの用途において、モーターの種類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つに絞られていました。

サーボモーターとステッピングモーター

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、両者には重要な違いがあり、エンジニアは特定の用途に最適なモーターを選択する前に、これらの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、モータの駆動部にコマンドを送信します。一部の制御ではバスベースの方式が使用される場合があり、最新の制御では通常イーサネットベースの通信方式が用いられます。駆動部は、モータの各相に適切な電流を供給します。モータからのフィードバックはモータの駆動部、そして必要に応じてコントローラへと戻ります。駆動部はこの情報に基づいてモータを適切に整流し、モータ軸の動的位置に関する正確な情報を送信します。したがって、サーボモータは閉ループモータとみなされ、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、コントローラはモータをより詳細に制御できます。何かが想定どおりに動作していない場合、コントローラは動作をさまざまな程度で調整できます。このような重要な情報は、開ループステッピングモータでは提供できない利点です。

ステッピングモーターは、モーター駆動部に送られる指令に基づいて動作し、移動距離と速度を制御します。通常、この信号はステップ数と方向を指定する指令です。しかし、オープンループ方式のステッピングモーターは操作者にフィードバックを提供できないため、制御システムが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。

例えば、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、モーターが停止したり、特定のステップをスキップしたりする可能性があります。そうなると、目標位置に到達できません。ステッピングモーターはオープンループ制御であるため、このような不正確な位置決め情報は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に優れているように見えるのに、なぜステッピングモーターを選ぶ人がいるのでしょうか？それにはいくつかの理由があります。最も一般的な理由は価格です。設計上の決定を下す際には、運用予算が重要な考慮事項となります。予算が厳しくなると、不要なコストを削減するための決定を下さなければなりません。これはモーター自体のコストだけでなく、定期メンテナンスや緊急メンテナンスの費用も、サーボモーターに比べてステッピングモーターの方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そのコストに見合わない場合は、標準的なステッピングモーターで十分かもしれません。

純粋に操作性の観点から言えば、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明らかに使いやすい。ステッピングモーターの操作は理解しやすく、設定も容易だ。操作を過度に複雑にする必要がないのであれば、シンプルに保つべきだという考えには、ほとんどの人が同意するだろう。

2種類のモーターにはそれぞれ異なる利点があります。3,000rpmを超える回転速度と高トルクが必要な場合は、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用途では、サーボモーターは必ずしも最適な選択肢ではありません。低速用途では、サーボモーターはオーバースペックとなる可能性があります。

低速用途において、ステッピングモーターは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、低速でも高トルクを発揮するように設計されています。この設計特性により、ステッピングモーターは速度制限まで制御・動作させることが可能です。一般的なステッピングモーターの速度制限は通常1,000rpm以下ですが、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を超えるものもあります。

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制御で動作している際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、オープンループステッピングモーターの従来からの問題を解決するために、さまざまなアプローチが提案されてきた。電源投入時、あるいはアプリケーション中に複数回、モーターをセンサーにホーミングさせる方法もその一つだった。この方法は単純ではあるが、動作速度が低下し、通常の動作プロセス中に発生する問題を検出できないという欠点がある。

モーターが停止したり位置ずれを起こしたりしていないかを検出するフィードバックを追加するのも、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、「停止検出」機能や「位置維持」機能を開発しました。さらに、ステッピングモーターをサーボモーターのように扱う、あるいは高度なアルゴリズムでそれを模倣する、より高度なアプローチもいくつか存在します。

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、比較的新しい技術として、クローズドループステッピングモーターがあります。これは、位置精度と低速動作が求められる用途において、最も優れたコスト効率の高い解決策となります。高分解能フィードバックデバイスを用いてループを閉じることで、エンジニアは両方の利点を享受できるのです。

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あらゆる利点、すなわち使いやすさ、シンプルさ、そして低速での安定した動作と正確な停止能力を備えています。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高価格帯は不要です。

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（場合によっては5つ）のコイルがあり、それらの間に磁気的なバランスが保たれています。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、オペレーターはどれだけ遅れているかを把握できません。オープンループステッピングモーターでは停止位置は再現可能ですが、すべての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取り付けてクローズド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する状況で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クローズドループステッピングモーターを使用することで得られるこうした利点により、モーションコントロール業界におけるこれらのモーターの人気は急激に高まっています。特に、半導体製造業と医療機器製造業という2つの主要産業では、クローズド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。これらの産業のエンジニアは、ベルト駆動であろうとボールねじ駆動であろうと、モーターが負荷やアクチュエーターをどこに配置した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ーのクローズドループフィードバックにより、そ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ーは、低速域ではサーボモーター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確実な性能が求められ、かつ比較的低速での動作が可能な用途は、クローズドループステッピングモーターの有力な候補となる。

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に対応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。従来は、背面にエンコーダーが付いたステッピングモーターを入手することはできましたが、ドライブは標準的なステッピングモーター用ドライブであり、エンコーダーをサポートしていませんでした。エンコーダーはコントローラーに接続する必要があり、動作の最後に位置検証を実行する必要がありました。新しいクローズドループステッピングモーター用ドライブでは、このような作業は不要です。クローズドループステッピングモーター用ドライブは、コントローラーを使用せずに、位置と速度の制御を動的か​​つ自動的に処理できます。