2020年01月16日

ステッピングモーターの特徴

特徴ステッピングモーター
回転、停止のレスポンスに優れている為、動作、停止を頻繁に繰り返すユニットに適しています。

位置決めの精度に優れ、細かい制御を得意とする為、様々な場所で使用されています。
例)XYステージの移動、生産装置、スロットマシン等
最低限パルス出力回路のみで構成出来ますので配線がシンプルです。

欠点
急な加減速や高速回転を行うとモータが回りません。
この現象は脱調と呼ばれています。
オープンループ制御の為、モータが指示通りに動作したか確認するにはエンコーダが別途必要です。(エンコーダー付ステッピングモータ )  


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2020年01月16日

三相複合形ステッピングモータの細分制御原理について

ステッピングモーターの細分制御は本質からステッピングモーターの固定子ワインディングの電流に制御することで、ステッピンッグモーターの内部の合成磁場がある要求によって変化し、ステッピンッグモーターのスッテプ角の細分を実現している。一般的な場合で、合成磁場のベクトルの振幅はモータの回転トルクの大小を決め、隣の合成磁場のベクトルの夾角の大小はステップ角の大小を決める。モータ中では均質で円形な回転磁場、各相ワインディングの合成磁場のベクトルを発生される。これは各相ワインディングは正弦電流を通すこと必要がある。

複合形ステッピングモータは永久磁気式と反応式の長所を合わせる。三相複合形ステッピングモータの働く原理は回転子の永久磁気磁石が高磁気という特性を持っているレアアース永久磁気の材料である。そのため、回転子から発生される感応電流は回転子の磁場に影響が無視できる。

仕組みから言えば、三相複合形ステッピングモータは多極対数の交流永久磁気の同期のモータに当たる。輸入する三相正弦電流だからこそ、発生した空間磁場が円形を呈し、永久磁気の同期のモータの仕組み模型を通して三相複合形ステッピングモータのトルクの特性を分析している。

a.モータの固定子の三相ワインディングは完全な対称である;
b.磁気飽和、渦巻きと鉄芯磨損のように無視できる;
C.励磁電流は動態に応じる過程がない。

三相複合形ステッピングモータの駆動システム中で、入力した220V交流は整流を通す直流になり、パルス同期変調技術によって三路段階式な正弦波形電流になる。正弦波形電流は固定なタイミングによってそれぞれ三路ワインディングを通し、ドライバから輸出する正弦電流の周波数を変わることによってモータの回転速度を改変する。輸出の段階数量がステップごとに回転した角度を確認し、角度が小さいほど段階数量が多い。もちろん、ステッピングモーターは回転する時に、モータの各相ワインディングのインダクタンスが逆起電力を形成してい、周波数が高いほど、逆起電力が大きい。逆起電力の作用で、モータは周波数(また速度)の増大につれて電流が小さくなり、トルクも下がる。

三相複合形ステッピングモータは三相ワインディングがスター形状また三角形を連接する。電路の基本な定理によって、三相電流の和はゼロである。すなわちIU+IV+IW=0だ。だから、発生した二相ワインディングから給定信号を通して第三層ワインディングの給定信号が得られる。


出典: 三相複合形ステッピングモータの細分制御原理について  


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2019年12月19日

ドライバの駆動電圧と設置電流はステッピングモーターの性能にどれらの影響があるか?

電圧は速度に影響して、電流はトルクに影響している。

ステッピングモーターのモーメント角特性はある特定な電流電圧でテストするデータだ、電流電圧が変化が起こるときに、モーメント角特性も相応な変化が起こる。

相対的に言えば、同じな電流の場合で、電圧はステッピングモーターの速度により多く影響する。例えば、あるモータはDC24Vにあってアイドルでは最高が2100回が回転できる;DC48Vにあってアイドルでは最高が3200回に達する。同じな電圧の場合で、電流を調整することにはステッピングモーターの影響がより際立っている。

電流はトルクに影響して、電圧は速度に影響するというだけ正しくない。どんなに電流か電圧の変化でもステッピングモーターのモーメント角特性が改変している。すなわち、電圧を改変するのはステッピングモーターのトルクに改変されて、電流を改変するのはステッピングモーターの高速な性能の変化が起こる。

以下の内容には気をつけるべきだ:
第一、電圧を高めるあるいは電流を増大することはステッピングモーターに発熱をさせる。ステッピングモーターの温度が高すぎたら熱消磁が生じるので、一定な残量なモータ規格を選択するできるだけ;

第二、モータのトルクが充分な場合で、電流の設置は定格電より小さい位置を調整するできるだけ、ステッピングモーターとドライバの使用寿命を延ばすことができる;

第三、1つの定格電圧は80Vのドライバに私達が70Vぐらいで使うできるだけ。定格電圧はAC18-80Vにあるが、民間用電気と工業用電気が一定な電圧波動範囲が存在して、機械で通電とアブリの瞬間にピーク値の電流電圧がハイになるので、少しの残量を残すことは大いに修理率を下げる。


出典: ドライバの駆動電圧と設置電流はステッピングモーターの性能にどれらの影響があるか?  


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2019年12月19日

位置ずれ

脱調は正直、やってみないと分からないところがあります。
この速さで脱調するから、制限7割位にしておこうとか、各思惑で決めます。

脱調ならば、機械に付けているポジションセンサー等で、検知できることもあります。
嫌なのは、減速時に起きやすい 位置ずれ でしょう。

脱調はローターがステーターに置いてけぼりを食う事で起こります。  (エンコーダー付ステッピングモータ
逆に位置ずれは、停止が急すぎてローターが前に行き過ぎてしまう場合に多発します。

前述したように、ステーターの磁力にローターが引っ付いて回っています。
なので、追い越した場合脱調しようにも、ローターは慣性力を伴って回っているので、今引っ付いているローターの、先ステップに引っ付きなおしてしまいます。

そのまま指令通り回りましたよ~っという顔をして、位置ずれを起こしているのです。(この辺りは調べずに経験的に書いています。)

そうすると、時計モーターで30秒の位置に起動させたのに、32秒の場所に止まっていたりして、せっかくのステッピングモーターが台無しになってしまいます。

この手の位置ずれは、時々起こる事が多いので、皆さん原点復帰を毎回かけたりするのですが、減速を緩やかにする事で解決できる事も多々ありますので、一度試してみる価値はあるでしょう。  


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2019年11月26日

スイッチング電源の動作原理と回路方式

現在では電源といえば、効率が良く、小型化が可能なことからほとんどがスイッチング方式です。
ここでは、スイッチング電源の仕組みについて説明します。

■ 動作原理
図1.5にスイッチング電源の基本的回路と各部の部品名を示します。


図1.5 スイッチング電源の基本回路と各部の部品名

この電源では入力(交流:AC)を出力(直流:DC)に変換しますが、このとき高周波トランスを挟んで元のエネルギー原側(AC)を「一次側」、エネルギー が伝達される側(DC)を「二次側」と呼びます。

それでは上図を参考にスイッチング電源の動作原理を説明しますと、
スイッチング電源に交流(AC)を入力します。
②整流ブリッジで整流され、さらに一次側の電解コンデンサで平滑化されます。
③スイッチング素子がスイッチングすること(電気のON/OFFを繰り返すこと)によって高周波の交流にします。
④高周波トランスを介して二次側にエネルギー(交流)が伝達されます。
⑤二次側のダイオードで整流され、さらに二次側の電解コンデンサで平滑化されたDC(直流)が出力されます。
⑥出力電圧が一定に保たれるよう、制御回路によりフィードバック制御され、スイッチングの調整を行います。

以上がスイッチング電源の基本的な動作原理です。

■ 回路方式
スイッチング電源の回路方式は、"直流(DC)を高周波の交流(AC)にし、ふたたび直流(DC)にする" DC-DCコンバータの方式によって、区別されます。

また、DC-DCコンバータのスイッチング周期を決める方式として、スイッチング部自身が発信動作を行う自励方式と、発振器を別にもつ他励方式(PWM方式)とがあります。

自励方式は、「回路が簡単にできるため安価」、「入力電圧や負荷の変動によって周波数が変化する」などの特徴があります。

他励方式は、「一般にICを使用するため自励方式に比べコストが高くなる」、「発振周波数が一定」などの特徴があります。

また、一次側から二次側へエネルギーを伝達する際、スイッチングON時に伝達する方式をフォワード方式、OFF時に伝達する方式をフライバック方式と言い ます。  


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2019年11月26日

ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイド

ステッピングモーターを動ければ電子装置で駆動しておく。その装置はステッピングモータドライバである。ステッピングモータドライバは制御システムからパルス信号が大きくなってステッピングモーターを駆動していく。

ステッピングモータの回転速度はパルス信号の周波数と比例するから、ステッピングのパルス信号の周波数を制御したら、モータに精確に調速できる;ステッピングの個数を制御したら、モータに精確に定位できる。だから、典型的なステッピングモーターの駆動システムは3つの部分に分ける:

1.ステッピングコントローラ:マンマシンインタフェース、運動計画、I/O制御
2.ドライバ:パルス分配、電流が増幅する
3.ステッピングモーター:駆動負荷

以下ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイドが参考できる:
ドライバの給電電圧。ドライバの輸入電圧の高低はモータの高速性能を決める。給電電圧は高いほどモータが高速の時にトルクが大きくなり、高速で進歩また脱調を避けることができる。しかし、モータは高すぎたら、ドライバが過圧に保護をもたらし、発熱が多く、ドライバの損傷をするかもしれない。高圧で動く時に、モータには低速に動く振動が大きくなる。常規輸入電圧は24VDCや48VDCなドがある。

ドライバの電流。電流はドライバの駆動能力の悪さを判断する証とする。一般的に言えば、ドライバの最大定格電流はモータの定格電流を超えない。ドライバの輸出電流はモータのトルクを決め、電流の設定値が大きいほど、モータの輸出トルクが大きなる。しかし、電流に設定が大きすぎると、モータとドライバの発熱も深刻になる。普通な設定方法はステッピングモータを参考し、実際な応用で最適値はその基礎に少し調整している。ドライバの電流は主な規格が2.0A、3.0A、4.0A、6.0A、8.0Aなどがある。

ドライバの細分。ステッピングモータドライバの動く模式はフルステップ、ハーフステップ、細分などに分ける。主な区別はモータコイル電流の制御精度である。ステッピングモータは低頻度に振動する特徴があり、細分という設置を通し、モータの低速に運行する平穏性が改善できる。


出典: ステッピングモータドライバのサイズに選択するガイド  


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2019年11月06日

信号精度や強磁界下でも使える「光学式」

エンコーダには動作原理が異なる幾つものタイプが存在しますが、大きく「光学式」と「磁気/電気誘導式」に分けられます。エンコーダの役割や用途、基本的な動作原理については、本連載の第1回「モーター制御に不可欠なエンコーダ、その多様な用途」を参考にしてください。まず、光学式エンコーダの性質(長所と短所)、得意な用途を紹介しましょう。


【長所】

信号精度が物理的な寸法が決まっているスリットや反射部分で決まるため、磁気/電気誘導式よりも精度を高められる
周辺磁界による悪影響を受けないため、強い磁界を発生する用途でも使える。例えば、MRI(核磁気共鳴)装置、リニアモーター型アクチュエータなど
一般に、「インクリメンタル出力」であれば演算処理が必要ないため、磁気/電気誘導式と比較すると、高速対応が可能である

【短所】

分解能を高めるには、スリットの形成に物理的な限界がある。高分解能化するには、複雑な光学系や高精度な機構設計が必要になるため、高価格化、大型化してしまう
光を遮るようなホコリや油分などの汚染に弱い
安定した信号出力を維持するために発光素子にある程度の電流を流す必要があり、低消費電力化が難しい
【得意な用途】

信号精度が必要なサーボ制御(速度制御やベクトル制御)、精密制御
大径シャフトを使っているエレベータ用モーターや中空貫通軸モーターの制御(中空型エンコーダも製品化されているため)
高速に回転動作するモーター制御や関連したアプリケーション
MRI装置の駆動や位置決め、大径モーターを採用している各種工業装置
一方の磁気/電気誘導式エンコーダの性質は以下の通りです。

【長所】

磁界を乱さなければ、ちりやほこりのある粉じん環境下でも使える
分解能を増やすときに物理的な制約が少ないため、光学式と比較すると安価に高分解能化できる
スリットを伴う円板などを使わないため、光学式と同じ分解能であればより小型の品種を選択できる
アブソリュート(絶対位置)を出力するエンコーダを比較的安価に製作することができる
光学式と比較すると使用する電子部品が少ないため低消費電力化しやすい

【短所】

強磁界の環境では使えない
光学式と比較すると信号精度が劣る
利用する磁石の形状の自由度が低いため、一般に中空型のエンコーダを製造するのが難しい
磁石の製造にレアメタルを使っているため、今後の価格変動が不透明

【得意な用途】

ちりやほこりの多い環境で使う用途。例えば、糸くずの多い環境で使う工業用ミシンや編み機といった繊維機械
小型、軽量、高分解能といった特性が求められる用途。例えば、機器操作用ジョイスティックの動作検出
光学式と比べると電子部品の数を減らせるため、高い信頼性が求められる用途。例えば、メンテナンスを容易にしたい流量バルブ制御部分など。  


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2019年11月05日

ステッピングモーターの性能指標

1.単相通電のモーメント角の特性(静態モーメント角の特性)はステッピングモーターが通電している状態に改変されない時に、回転子が動かず、モータのデュアルシャフトに1つのモーメントが加わり、回転子がある方法に沿って一定の角度を回転させ、こんな回転子に対する電磁モーメントが静態モーメントになる。

2.起動トルクはステッピングモーターに静止定位な状態から確実に起動させ、正常に動くことができるトルタだ。

3.無負荷と負荷の起動周波数。無負荷のときに、ステッピングモーターが静止からそっと起動し、確実と安定な動きに進入することが許可された最高周波数を最高起動周波数と呼ぶ。起動周波数と負荷モーメントと関係がある。負荷モーメントが大きいほど許可された最高周波数が小さい。ステッピングモーターを選ている時、この曲線の下で実際に起動している周波数と負荷モーメントに対応する動き点が位置したら、ステッピングモーターも確実で正常に動かれる。

4.動態モーメントと「矩频特性」。ステッピングモーターが起動した後で、この回転速度が制御パルス周波数と連続に上昇し、テップアウトしない制御パルスの最高周波数は連続に動きの最高周波数とも呼ばれる。ステッピングモーターの連続に動くは負荷の増大とともに下降するが、ステッピングモーターの連続に動く周波数が起動周波数を超える。

5.スッテプ精度。我が国で生産するステッピングモーターのスッテプ精度は10~±30分の範囲であれ、さらに、あるスッテプ精度は±2~±5分を達することができる。


出典:ステッピングモーターの性能指標  


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2019年10月16日

ステッピングモーターの構造

ステッピングモーターの断面図を下図に示します。
ステッピングモーターは大きく分けてステーター(固定子)とローター(回転子)の2つの部品から構成されています。
ローターはローター1、ローター2、永久磁石の3つから構成されています。また、ローターは軸方向に磁化されており、ローター1がN極の場合、ローター2がS極となります。

モーター構造図:シャフトと平行方向の断面図

ステーターには小歯を持つ磁極があり、それぞれに巻線されています。
その巻線は向かい合った磁極でつながっており、電流を流すと同じ極性に磁化されるように巻線されています。(ある巻線に電流を流すことにより、向かい合った磁極でN極またはS極というように同極に磁化されるということです。)

向かい合った2つの磁極で1つの相を形成しています。A相からE相までの5つの相があるタイプが5相ステッピングモーター、A相とB相の2つの相があるタイプが2相ステッピングモーターと呼ばれています。
ローターの外周には50枚の小歯があり、ローター1とローター2の小歯は1/2ピッチ機械的にずれて構成されています。

励磁:モーターの巻線に電流を流した状態のこと
磁極:励磁することによって電磁石化するステーターの突出部のこと
小歯:ローターやステーターの歯のこと




  


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2019年10月16日

ステッピングモーターの基本構造と作動原理について

ステッピングモーターは電気パルス信号が角変移また線変移のオープンループ制御用のステッピングモーター部品が転化して、モーターコイルを施す電気パルス順序、頻度、及び数量を控えることによって、ステッピングモーターの転向、速度と回転角度が制御できる。直線運動で実行構造やギアボックス装置を配置して、もっと複雑に精密なリニアを制御する要求には達することができる。

ステッピングモーターは前後エンドカバー、ベアリング、中心軸、回転鉄心、固定子鉄心、固定子組立部品、スペーサー、螺子などの部品から構成される。ステピングモーターがステッピング器とも呼ばれて、電磁学原理を利用して、電能が機械能に転化されて、モーター固定子が巻き付いているコイルによって、駆動してきる。一般的な場合では、一本のコイルの針金は螺子管ともいう。モーター中で、固定子歯槽が巻きついている針金はワインディング、コイルまた相とも呼ばれる。


作動原理
ステッピングモーターは外来の制御パルスと方向信号、内部の論理電路を通して、ステッピングモーターのワインディングの控えには固定な順方向または逆方向に通電させ、モーターが順方向か逆方向に回転またはロックするように制御する。

1.8度二相ステッピングモーターが例として、二相ワインディングが電励磁を通す時に、モーター輸出軸は静止したりロックオンしたりする。定格電流のもとで、モーターに最大なトルクをロックオンさせることは保持トルクである。その一つの相のワインディングの電流が変更をすれば、モーターは固定な方向に沿って、一歩(1.8度)が回転する。同じことだが、他の相のワインディンの電流が変更をすれば、モーターは前者と逆方向に一歩(1.8度)が回転する。コイルワインディングを通す電流は次第に励磁を変更する時に、モーターが固定な方向の沿って、連続に回転して、運行精度が非常な高い。1.8度二相ステッピングモーターなら一周を回転することには200歩が必要である。

二相ステッピンクモーターはバイポーラステッピングモータとユニポーラステッピングモータという2つのワインディング形式がある。バイポーラステッピングモータの相で一つのワインディングコイルだけがある。モーターが連続に回転する時に、電流は同じなコイル中で次第に励磁を変更して、駆動電路デザインは八つの電子スイッチが必要で、順序に換える。

ユニポーラステッピングモータの相では2つの相反の極性ワインディングコイルがあって、モーターが連続に回転する時に、同じな相の2つのワインディングコイルだけを換えて電励磁をする。駆動電路デザインで四つの電子スイッチしか必要としない。バイポーラ駆動模式下で、相のワインディングコイルは100%励磁であるため、バイポーラ駆動模式下でモーターの輸出トルクはユニポーラ駆動模式より40%を高める。



出典:ステッピングモーターの基本構造と作動原理について  


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