ステッピングモーターの基本

お手頃価格で位置決めをしたい！
命じた通りに動いてくれて、普段は動かずじっと待ってる
そんな忠犬のようなモーターを使ってみましょう

どうも！ずぶ です。今回は、仮想の時計モーターを使い、ステッピングモーター説明していきます

ステッピングモーターの基本

１パルス受け付ける毎に、1ステップ動く
そんな理由から、パルスモーター や ステッピングモーター と呼ばれます

詳細はこちらを参照　wikipedia ステッピングモーター

ざっくり言うと、1秒毎にチクタク動く時計のさらに凄い奴ってことです

まずは、その時計を想像してみましょう

６０秒で３６０度、中心シャフトが回転しますよね
という事は、３６０÷６０＝６
１パルスで６度動く訳です。これをステップ角と呼びます
１分間に１回転なので、回転速度は1ｒｐｍ

立派な時計モーターです。

時計モーターを１８０度回したい（秒針を３０秒の場所）場合、３０パルス を与えれば良い訳ですね

回転角度を自由に決められて、すごく便利です

減速機や取り付け方で回転方向は色々変わって行くので、電気屋としては、逆に回るようならひっくり返す位のノリで十分でしょう。

回転

さて、先ほどの時計モーターに戻ります
１秒に１パルス６度ずつ動く事が分かりました。

画面の都合があるので、６０度だけ動かしてみましょう(笑)

スタートから９秒 都合１０秒でパルスを１０個払い出しました。１秒間に１パルスです。
角度は先ほどと比べ可変し、６０度の位置で停止します。速度はやはり１ｒｐｍです

次に速度を上げてみましょう。

スタートから、４．５秒 都合５秒でパルスを１０個払い出しました。０．５秒に１パルスです。
角度は同じく６０度の位置で停止します。速度は倍の２ｒｐｍとなります

脱調

ステッピングモーターは、ローター（シャフトの部分）がステーター（皮の部分）の磁力に吸い寄せられて回転力を産んでいます

先ほどは、２ｒｐｍ でしたが、２００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍと、どんどん速度を上げて行くとどうなるでしょうか？
電気の切り替えで磁力成分が変わるステーターに対し、ローターの方は実回転でステーターに付いていかなくてはなりません。

そしていつか、付いていけなくなる時が来ちゃいます

いわゆる、脱調 という奴です

脱調を起こした場合、ステーターは気づかずに磁極が切り替わり続けるのに対し、ローターは不貞腐れてプルプルしながら、同じ場所にとどまります

回転している状態ならば結構ついてくるのですが
一番のネックは加減速時です。
ローターに繋がっている、負荷全てを回さなくてはならないので、慣性力が効いてくるんですね

そこで、ローターが付いてこれるように、ゆっくりスタートしてあげます。
ミッション車で半クラを駆使して、４速発進するみたいなイメージですね

パルスの払い出しを表すとこうなります

パルスの密度だけだと、何のこっちゃ分からないので、速度グラフに関連付けて表しています。

図の様に優しく加速減速をすると、脱調せずについてきてくれるようになります。

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
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(笑)

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

マイクロステップ

ステッピングモーターの利点は、安く位置決めできる事にあります

時計モーターは１ステップ6度だと書きましたが、時計の秒針を動かすには十分でも、機械を動かすとなると、ちと物足りません
秒針と同じですから、めっちゃカクカク動くでしょう

そこで、疑似的に停止位置をずらせてやります
ローターステーターの、一番引っ付きの良いところが、６０ステップあるのですが、それを フルステップ と呼びます

じゃあ、引っ付き具合の１番良い所と２番目に良いところを使ってみよう！
という事で、１番と２番を使うと、単純に１２０ステップになりますね。

３６０÷１２０＝３　となるので、１ステップ３度という事になります

３度・・・正直まだまだ微妙です。
きっと、カクカク動くでしょう

じゃあ、３倍、５倍と分割数を増やして行けるのですが、想像通りローターの引っ付き力は低下して行きます。即ちトルクの低下に直結します。

分割の事を マイクロステップ と呼びます

これ以上トルクを落としたく無い場合、トルクを増大させましょう
そういう場合は、減速機 を使います。

減速というからには 速度は減りますが、トルクは上がります。

１／５の減速機をモーターに取り付けた場合、減衰効率を考えなければトルクは５倍
ステップ角は１／５となります。

と、いう事は

マイクロステップ５倍に減速機１／５を接続した場合
ステップ角 ＝３６０÷（フルステップ × マイクロステップ倍率 ×減速比）なので

 ０．２４　＝３６０÷（　６０　 ×　５　×　５　）となりますね

１ステップ ０．２４度　となる訳です

これだと、時計モーターで３０秒の位置に移動させようとすると、７５０の指令パルスが必要になりますね。
恐らくスムーズに回転しているように見えるでしょう。

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