ステッピングモーターの構造と制御原理

産業分野では、オートメーション制御、ロボット関節、プリンター制御など、ステッピング モーターの用途が多数あります。最も広く使用されているのは、ハイブリッド ステッピング モーターです。最も広く使用されているものの 1 つは、ハイブリッド ステッピング モーターであり、私たちが日常的に接触するほとんどのステッピング モーターの形式でもあります。概念的には、ステッピング モーターと可変リラクタンス モーターには特定の関連性と相違点があります。この文書では、最初にリラクタンス モーター/ステッピング モーターの構造と動作原理について説明し、異なるモーター間の違いを比較します。

1. 可変リラクタンスモーター

可変リラクタンス モーター (可変リラクタンス マシン) は、スイッチング リラクタンス モーターとしても知られており、励磁巻線を備えた固定子と凸極構造の強磁性回転子による、おそらくすべてのモーター構造の中で最も単純です。ローターにはコイル巻線や永久磁石がなく、さまざまな位置でのローターの磁気抵抗の変化に依存して電磁力 (dΨ/dθ) を生成します。

磁束は常に磁気抵抗が最も低い経路を横切る傾向があることがわかっています。図. 1.1に示すように、S1 S2 は電流のオンとオフを制御し、VD1 VD2 は電流導通ダイオードです。 AA' の位置と aa' の位置が最大リラクタンスの位置、CC が最小リラクタンスの位置で、この時に D 相が通電されるとロータは反時計回りに回転します。この時点で B 相が通電されると、ローターは時計回りに回転します。このときA相が通電していればローターは変化しません。スイッチトリラクタンスモータは、電流方向の変更によってモータの回転方向の変更を実現するのではなく、通電シーケンスの変更によってモータの正転と逆転を実現することに注意してください。

2. 可変リラクタンスモーターからステッピングモーターへ

可変リラクタンス モーターは、特殊な制御方法 (パルス交流伝導) により、ステーターとローターの極の数、またはステーターの通電相の数を増やすことにより、動作角度を細分化できます。このような細分化された構造には、角度トルク特性が異なるさまざまなものがあるため、説明は省略します。この記事では、いくつかの一般的な可変リラクタンス モーターのメカニズムをさまざまな次元から検討し、無数の可変リラクタンス モーター構造の中でステッピング モーターがどのように際立っているかを見ていきます。

2.1 キャッスル型可変リラクタンスモーター

前述したように、突極の数を増やせば可動角度を細分化できますが、突極が増えるとコイルスペースが多くなり、モータの巻線効率が低下するため、無制限に突極を増やすことはできません。同じ駆動相数の場合でも、突極に小さな歯を刻むことにより、機械距離角で細分化することも可能です。図 2.1 に示すように、3 相キャッスル - タイプの可変リラクタンス モーターは、6 極ステーター、各極あたり 4 つの歯、および 28 極ローターを備えています。コイル 1、コイル 2、コイル 3 に順番に通電すると、各ステップで 2 /3 のステップ距離で回転子を回転させることができます。値はモーター設計のコギング比に従って設計する必要があるため、ここでは説明しません。

このタイプのモータは、低速、高トルク、高精度の角度分解能で一般に使用されます。この構造は、このモータの制御が位置検出から切り離されるだけでなく、パルスシーケンス駆動を通じて比較的スムーズな制御を実現できるため、すでに「ステッピングモータ」と呼ぶことができます。

図 2.1 三相キャッスル-型可変リラクタンス モーター

2.2 多段可変リラクタンスモーター-

多相巻線を備えた単一ローターで構成される可変リラクタンス モーターは、「シングル セグメント可変リラクタンス モーター」とも呼ばれます。-別のタイプの可変リラクタンス モーターは、ローターとステーターが多くのセグメントに分割されており、ステーターの相数を増やさずに細分化でき、ステーターの巻線構造により優しいものです。 1 相のセグメントを設定することが可能であり、これにより多相モーターの巻線間端が事実上排除されます。 n- セグメントのモーターの場合、各セグメントのローターまたはステーターは、極ピッチの角度の 1/n だけずらされており、極ピッチはさらに n 倍に分割できます。

2.3 ハイブリッドステッピングモーター

単純な可変リラクタンスモータでは、回転方向はパルス電流のタイミングとモータのリラクタンス構造に依存し、電流の方向には影響されません。電流が流れないと、リラクタンストルクが不足するためローターを特定の位置に固定できず、制御がさらに難しくなります。元のスイッチトリラクタンス モーター構造に永久磁石を追加して永久磁石またはハイブリッド可変リラクタンス モーターを形成すると、現在最も一般的なステッピング モーター構造であるステッピング モーターのトルクと位置精度が大幅に向上します。

図2.2に示すように、ハイブリッドステッピングモータの構造は、ロータ永久磁石の2つのセグメントの間に挿入されたマルチ-セグメント可変リラクタンスモータと非常によく似ており、N-極の近位端とS-極の遠位端に見られます。ステータは単一セグメントのモーター構造として設計でき、必要なのは 2 相駆動のみであるため、モーターの構造とコストが大幅に簡素化されます。-図に示すモーターのローター極対の数は 3 であるため、電気 1 サイクルに対応する機械角は 360/(2*3)=60. となります。

理解を容易にするために、θ は機械角であり、具体的な駆動シーケンスは次のとおりです。
θ=0~10、相 1 と相 2 に同じ振幅の正の電流を同時に流す
θ=10~20、フェーズ 2 は正の電流のみを流します
θ=20~30、フェーズ 1 は負の電流のみを通過させます
θ=30~40、フェーズ 1 とフェーズ 2 に同じ振幅の負の電流を同時に流す
θ=40~50、フェーズ 2 は負の電流のみを通過させます
θ=50~60、フェーズ 1 は正の電流のみを流します
周期伝導... ...

図2.2 ハイブリッドステッピングモータの構造

3. ステッピングモーター制御

図 3.1 に示すように、ステッピング モーターの駆動回路構造は一般にバイポーラ モーターとユニポーラ モーターに分類できます。ユニポーラ モーターは巻線の交流導通によって磁束の方向の変化を実現し、バイポーラ モーターは H- ブリッジの制御を通じて電流の方向の変化を実現し、磁束の方向の変化を実現します。

ユニポーラ モーターには 4 つのパワー MOS のみが必要で、電流のユニポーラ制御 (MOS チューブの観点から) のみですが、モーター巻線にはもう 1 つのタップが必要です。バイポーラモータは構造がシンプルで2巻線を多く利用しますが、駆動用のパワーMOSを8個に増やす必要があり、コントローラのコストが高くなります。

図 3.1 ユニポーラおよびバイポーラ ステッピング モータ ドライブ

ステッピング モーターは、モーター構造の細分化に加えて、電流の波形を制御することによってステッピング モーターの細分化精度を制御することもできます。細分化の原理は、最小ステップ角の間にシミュレートされた正弦波電流を挿入してステップ角を細分化することであり、これは電流細分化とも呼ばれます。

図3.2 ステッピングモーター駆動電流の内訳

3.1 閉ループ電流

ステッピング モーターの電流設定は、負荷の要求に応じて決定する必要があります。負荷が大きいほど、駆動電流も大きくする必要があります。しかし、ステッピング モーターの開ループ制御は負荷の大きさを感知できず、多くの場合、開ループ駆動の非効率をもたらします。-電流の細分化には電流の正確な制御が必要であり、制御された電流の閉ループ、つまり定電流特性の電流出力を形成する必要があります。一方、ステッピング モーターの磁気抵抗は非線形に変化するため、制御の喪失によるコアの電流の飽和を防ぐために出力電流の大きさを常に監視する必要があります。以下の図 3.3 は、ステッピング モーター ドライバー チップ TB67S109AFNG の電流制御波形図です。内部クロック (内部 OSC) の分周による、内部スイッチング サイクルの Fchop。

具体的な定電流制御手順は次のとおりです。
H- ブリッジが導通すると、電流が NF まで急速に上昇し、電流上昇の傾きは VDC/Ls になります。
設定電流点 NF に到達し、H- ブリッジをオフにします。電流は更新ダイオードによって更新され、低下の傾きは -VDC/Ls (高速変化) になります。
電流が設定値の下限ライン値に達すると、H-ブリッジを制御してインダクタコイル（通常は下側ブリッジ）を短絡させ、電流を一定に保ちます（緩やかな変化）
設定値の電流が変化すると、H- ブリッジは同じ制御戦略を通じて、最新の電流設定値の電流を一定に保つように制御します。
図 3.4 に示すように、ステッピング モーターの測定波形であり、精度の低い部分を細分化すると、明らかなステップ-のような電流波形が見られます。細分化の度合いが非常に高い場合、図 3.5 に示すように、電流は正弦波電流に近づきます。

図 3.3 TB67S109AFNG の電流制御

図 3.4 ステッピングモーターの電流測定値（細分化されていない）

図 3.5 ステッピングモーターの測定電流（細分化）

3.2 開ループ制御と閉ループ制御-

開ループ制御では、ローター位置情報のフィードバックがないため、システムが制御に従っているかどうかは基本的に不明です。{0}ステッピングモーターは負荷異常があると脱調を起こしやすくなります。一部の高精度、高性能のアプリケーションでは、エンコーダやその他の位置センサーを介して位置情報を取得し、ステップ損失が発生したかどうかをステッピング駆動システムが制御することにより、ステップ損失が制御のパルス損失を補うことも比較的簡単に実現できます。

まとめ

この論文では、可変リラクタンス モーターの基本構造とステッピング モーターへの進化について簡単に説明し、いくつかの一般的なステッピング モーターの構造と制御ロジックを比較します。ステッピング モーターの制御原理と電流細分化の制御の詳細を紹介し、ステッピング モーターをより包括的に理解します。