星に願いをかける前に寝る

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、
①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。  

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  

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。  

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