ステッピングモーターとサーボモーター

ステッパーとサーボは、Bimba OLE アクチュエーターで使用できます。これらは位置制御に最適なモーター技術です。どちらを使用するかは、速度、トルク、価格、そして多くの場合、納期によって決まります。次の説明では、2 つの技術の違いについて説明します。

ステッピングモーターの設計

ステッピング モーターは、時計の針のようにステップごとに動くため、「デジタル モーター」と呼ばれます。最初のコイルに通電すると、ローターの歯が最初のステーター巻線の歯と揃い、位置を保持します。2 番目の巻線に通電すると、ローターの歯がわずかに動き、2 番目のステーター巻線と揃い、位置を保持します。この例での合計移動は、1 つの完全なステップです。

通常、1 回転あたり 200 ステップ、1 ステップあたり 1.8 度です。電子ステッピング モーター コントローラーの開発により、ステッピング モーターが可能になりました。電子デバイスは、適切なタイミングで適切な電圧と電流、適切な位相、適切な順序で巻線に電力を供給する必要があります。コントローラーは、ステッピング モーターを 1 回転あたり最大 20,000 ステップで動かすことができるように進化し、100 倍の細かい動き (1 ステップあたり 0.018 度) を実現しています。

ステッピングモーターシステムコンポーネント

ステッピング モーターの性能を理解するには、ステッピング モーター ベースのシステムのコンポーネントを理解することが役立ちます。

モーターとアクチュエータ:モーターとアクチュエーターを合わせてアームに相当するものと考えてください。電力がなければ動きません。

• 出力: 移動する荷物の推力と速度。
• 入力: ステッピング ドライバーからの電源。

アクチュエータ:腕を動かす筋肉を提供する装置をアクチュエーターと呼びます。

• 出力: モーター巻線には、アクチュエータの「アーム」を目的の方向に動かすために、適切な量と順序で電力が供給されます。アクチュエータには、DC 電源などの電源が必要です。DC 電源の電圧出力は、アクチュエータを介してモーター巻線に直接伝達されます。モーター巻線の電流と電圧は、モーターのトルク出力に比例し、したがってアクチュエータの推力出力にも比例します。一般に、電圧と電流が高いほど、推力は高くなります。ある一定のポイントを超えると、電流の増加はモーター巻線の温度のみを上昇させ、トルク出力は上昇しません。
• 入力: コントローラからステッピング パルスと方向コマンドを受け取ります。各電子ステッピング パルスはモーターの巻線に通電する方法を変え、モーターが 1 ステップ回転してアクチュエータを動かします。

コントローラ：コントローラーは筋肉に指示を与える脳だと考えてください。

• 出力: ステップおよび方向パルスがドライブに提供されます。バス経由の通信 (RS232、RS485、Ethernet IP、Profibus など)、インプレース信号、アラーム、障害出力など、さまざまな出力も PLC に提供されます。
• 入力: さまざまなソースからの入力をインテリジェントかつ体系的に管理します。

磁気スイッチ

機械内の他の場所にあるセンサー
プログラマブルコントローラ出力
PLCからのバス通信
モーターからのエンコーダ信号

エンコーダー:エンコーダはシステムの「目」です。コントローラにコマンドが実行されたかどうかを知らせます。コントローラは、ドライブに送信するステッピング パルスとエンコーダから受信したパルスを比較します。送信したパルスが受信したパルスと等しい場合、コントローラはコマンドが実行されたことを認識します。等しくない場合、コントローラは正しい数のエンコーダ パルスを受信するまでモーターを調整します。

説明を簡単にするために、システム ブロック図では、すべての機能コンポーネントを便利に分離しています。メーカーが機能を組み合わせるのはよくあることです。たとえば、コントローラにはドライブが組み込まれていることが多く、電源が組み込まれているものもあります。一部のモーターにはエンコーダが組み込まれており、ドライブとコントローラが組み込まれているものもあります。一部の PLC にはコントローラが組み込まれています。

ステッピングモーターの性能
ステッピングモーターには次のような固有の利点があります。

• ステッピング モーターは、最も安価な位置制御モーター技術です。
• ステッピング モーターは、エンコーダを必要とせずにオープン ループで使用できます。
• ステッピングモーターは低速で非常に高いトルクを提供します。
• NEMA フレーム サイズは、標準化された取り付けおよびシャフト直径で利用できます。

ステッピングモーターには固有の欠点があります。

• ステッピング モーターは低速では高いトルクを提供しますが、速度が上昇するとトルク出力は急激に減少します。
• ステッピング モーターは非同期になることがあります。つまり、コントローラーから送られるステッピング パルスと同期が取れなくなるのです。言い換えると、コントローラーからのステッピング パルスはモーターの巻線用の電気エネルギーに変換されますが、モーターは回転しません。これは、負荷を動かすために必要なトルクが、希望する速度でのモーターのトルク容量を超えた場合に発生します。この問題を回避するには、次の操作を行います。
• モーターのサイズを大きくします。必要な最大トルクの 2 倍を提供できるようにモーターのサイズを調整します。
• モーターのトルクが十分になるまで速度を下げます。
• モーター巻線への電圧を上げます（大電源）。
• モーター巻線への電流を増加させます（大電源）。
• エンコーダーを使用して位置を監視し、失われたステップを修正します。
• エラー訂正はリアルタイムで継続的に行われるのではなく、ストロークの終了時に行われるため、同期が困難です。
   

サーボモーターの設計
定義上、サーボとはフィードバック機能を備えたデバイスです。サーボモーターにはステータにコイルがあり、サーボ ドライバーまたはアンプによって順番に通電され、磁気ローターが回転 (スピン) します。コントローラーが次に通電する巻線を決定するには、ローターの現在の位置を知る必要があります。この検知は、ホール センサーまたはデュアル機能エンコーダーを使用して行われます。

サーボモーターシステムコンポーネント
サーボ システムのブロック図はステッピング モーター システムのブロック図と同じですが、コンポーネントは技術的に異なります。サーボ アンプは機能的にステッピング モーター ドライバーと同等です。ステッピング モーターと同様に、機能は通常、メーカーによって組み合わせられます。

サーボモーターの性能
サーボには固有の利点があります:

• 高速
• 高い加速
• 高精度
• 高速でより高いトルク
• 複数のモーターを簡単に同期できます（リアルタイムエラー補正）

サーボには固有の欠点があります:

• ステッピングモーターよりも複雑なシステム
• モーターは最適なパフォーマンスを得るために調整する必要がある
• ステッピングモーターよりも高価なシステム
• ステッピングモーターよりも低速時のトルクが低い
• 非標準の取り付け形状（メーカーによって異なります）とシャフト径
• 同等サイズのステッピングモーターに比べて低速時のトルクが低い
   

電動アクチュエータの使用への影響
どちらの技術を使用する場合でも、アクチュエータの設計に適合させる必要があります。

• 低速サーボでは、ステッピング モーターと同じ低速アクチュエータ性能を実現できない場合があります。
• 同じアクチュエーター上でステッピング モーターをサーボに置き換えても、他のアクチュエーター コンポーネントによってパフォーマンスが制限される可能性があるため、必ずしも高速でより大きな推力が得られるとは限りません。

アプリケーションに応じて、2 つのモーター技術にはそれぞれ利点があります。次の表をガイドとして使用できます。