ステッピングモータの構造、動作原理、駆動方法、特徴、用途例

(1)

ステッピングモータ

構造、動作原理、駆動方法

特徴、用途例

(2)

ステッピングモータの構造転載厳禁

ステッピングモータ外観例 ステッピングモータ内部構造略図

(バイポーラPMモータ) ステッピングモータ内部構造図

S N

コイル1

コイル1 コイル2

コイル2

磁石

2相バイポーラ

Photo P41_1

Photo P41_2

Fig P41_1

Fig P41_2

HB(

Hybrid

)形

PM(

Permanent Magnet

)形

HB(

Hybrid

)形

PM(

Permanent Magnet

)形

(3)

ステッピングモータの基本回転原理(1相励磁) 転載厳禁

S N

電流

S

N N S

電流

S N

N S

電流

S

N

N S

電流

S

N

コイル1

コイル2

コイル1

コイル2

コイル1

コイル2

コイル1

コイル2

‘①

‘

④ ③

‘②

(4)

ステッピングモータマイクロ(¼)ステップ動作原理転載厳禁

電流：

Io

電流：

Io S N M0

電流：

Io

電流：

Io

S M0 N

S N M0

**M0*sin(22.5**

°

)

≒0.383*M0

**M0*cos(22.5°)**

≒ 0.924*M0

電流：

0.924*Io

電流：

0.383*Io +22.5

度

S N

M0

**M0*sin(45**

°

)

≒0.707*M0

**M0*cos(45°)**

≒ 0.707*M0

電流：

0.707*Io

電流：

0.707*Io +45

度

S N

M0

**M0*sin(67.5°)**

≒ 0.924*M0

**M0*cos(67.5°)**

≒ 0.383*M0

電流：

0.383*Io

電流：

0.924*Io +67.5度 +90度

0

度コイル1

コイル2

コイル1

コイル2

コイル1

コイル2

‘① ② ③

⑤ ④

(5)

HB(Hybrid)ステッピングモータの構造と動作転載厳禁

構造動作

N S

手前の白い 歯がN

奥の青い歯 がS

永久磁石

A相

B相 B相

電磁石の歯と永久磁 石側の歯のずれが電

気角で0°

電磁石の歯と 永久磁石側の 歯のずれが 電気角で90°

電流

N

S 電流電流

N

S

永久磁石の Sと引き合う

永久磁石の Nと引き合う

Fig P45_1

電流

N

S

電流電流 S

N

永久磁石の Nと引き合う

永久磁石の Sと引き合う

反時計方 向へ回転 永久磁石の

Sと引き合う

(6)

ステッピングモータの特性転載厳禁

トルク:T

パルスレート:pps 引き込みトルク

・・・負荷を加えた状態で、同期を失わず、

モータが瞬時に駆動できる境界脱出トルク

・・・自己起動後に動作可能な境界 (自起動領域後に動作できる)

自起動領域スルー

起動、停止、逆転が領域

可能な領域

最大自起動周波数

最大連続動作周波数ホール

ディング

トルク

(7)

ステッピングモータバイポーラ結線とユニポーラ結線転載厳禁

2相ステッピングモータ

コイルA

コイルB

コイルB コイルA

コイルĀ

コイル

B

バイポーラ結線

ユニポーラ結線電流

電流

電流電流

N

S

S バイポーラ

ユニポーラ

(8)

2相バイポーラステッピングモータの駆動転載厳禁

駆動回路

コイルA

コイルB

(9)

転載厳禁

2相励磁 (Slow Decay時)

コイルA

コイルB

H

+A+B

H

^-A+B

H

^–A-B

H

+A-B

※Fast Decay時は出力電圧ローの部分もPWM波形になる。

2相バイポーラステッピングモータの駆動

① ② ③ ④

① ②

④ ③

(10)

2相バイポーラステッピングモータの駆動転載厳禁

駆動回路

コイルA

コイルB

※P. 48と同図。2ページ/1面印刷時、動作波形とブロックとの関係見易く。

(11)

転載厳禁

コイルA

コイルB

H

+A+B

H

^-A+B

H

^–A-B

H

+A-B

H

^+A

H

^-B

H

^+B

H

^-A

1-2相励磁 (2相時フルトルク、Slow Decay時)

2相バイポーラステッピングモータの駆動

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

(12)

転載厳禁

コイルA

コイルB

H

^+A

H

^-B

H

^+B

H

^-A

1-2相励磁 (2相時トルク＝1相時トルク、Sloｗ Decay時)

2相バイポーラステッピングモータの駆動

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

(13)

転載厳禁

コイルA

コイルB

H

^+A

H

^-B

H

^+B

H

^-A

¼ステップ励磁 (Sloｗ Decay時)

2相バイポーラステッピングモータの駆動

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ ⑯

①

②③ ④

⑤

⑥

⑦

⑨⑧

⑩

⑫ ⑪

⑬

⑭

⑮

⑯

(14)

転載厳禁

0.8 0.9 1 1.1

0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 Io @Slow Decay Io @Fast Decay

出力電流の拡大波形

2相バイポーラステッピングモータの駆動

(Slow Decay/Fast Decay)

拡大

0

入力信号

IN11

入力信号

IN12

入力信号

IN21

入力信号

IN22

電流設定

Vref1

電流設定

Vref2

出力電圧

OUT11

出力電圧

OUT12

出力電圧

OUT21

出力電圧

OUT22

出力電流

OUT11→OUT12

出力電流

OUT21

→

OUT22

設定電流までﾌﾙｵﾝ

PWM

Vcc=24V

L=7.35mH

R=2Ω

Toff=20us

Ipk=1A

(15)

転載厳禁

出力電流の拡大波形

2相バイポーラステッピングモータの駆動

(Slow Decay/Fast Decay/Mix Decay)

拡大

0.8 0.9 1 1.1

0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 Io @Slow Decay Io @Fast Decay Io @MiX Decay

Vcc=24V L=7.35mH R=2Ω Toff=20us Ipk=1A 0

0

入力信号

IN11

入力信号

IN12

入力信号

IN21

入力信号

IN22

電流設定

Vref1

電流設定

Vref2

出力電圧

OUT11

出力電圧

OUT12

出力電圧

OUT21

出力電圧

OUT22

出力電流

OUT11→OUT12

出力電流

OUT21

→

OUT22

設定電流までﾌﾙｵﾝ

PWM

(16)

転載厳禁

電圧印加時電流回生時

電流回生時

Q4

Decay：Fast/Slow/Mix

Slow decay

Fast decay

2相バイポーラステッピングモータの駆動(電流回生)

Mix decay：電流回生時SlowとFastを時間分割して行う

ON

Q1

OFF

Q2

ON

Q3

Q4

Ea

Q1

OFF

ON

OFF

ON

Q2

Q3

ON OFF

Q2

Q4 Q1

OFF ON

Q3

電圧印加時

ON

Q1

OFF

Q2

ON

Q3

Q4

Ea

(17)

転載厳禁

Slow decay Fast decay

1-2相励磁 CLK=800Hz

1/4 step CLK=1600Hz

Mix decay

2相励磁 CLK=600Hz

Decay：Fast/Slow/Mix

2相バイポーラステッピングモータの駆動

OUT11電圧 OUT12電圧

OUT11→

OUT12電流

OUT11→

OUT12電流

OUT11→

OUT12電流

(18)

転載厳禁

駆動回路

2相ユニポーラステッピングモータの駆動

(19)

転載厳禁

2相励磁

2相ユニポーラステッピングモータの駆動

(20)

転載厳禁

2相励磁 PWM過渡動作

2相ユニポーラステッピングモータの駆動

コイル巻き始めのポイント

(21)

転載厳禁

ステッピングモータ駆動の方式と特徴

出力形式ユニポーラバイポーラ (ユニポーラ、バイポーラ共通)

励磁方式 1相励磁 2相励磁 1-2相励磁 W1-2相励磁 2W1-2相励磁 4W1-2相励磁

Full Step Half Step Quarter Step Eighth Step Sixteenth Step

構造概要 /励磁概要

特徴

・高速トルク大きい

・パワーTr数4個で少ないが高耐圧のもの必要

・配線多い

・低速トルク大きい

・パワーTr数8個で多い

・配線少ない

・トルク小さい

・振動収束時間長い

・通常使用しない

・トルク大きい

・振動収束時間短い

・ｽﾃｯﾌﾟ角1/2倍

・出力電流制御必要

・ｽﾃｯﾌﾟ角 1/16倍

バイポーラステッピングモータ駆動波形

VREF

Iout INA

Vout

2相励磁 1-2相励磁 W1-2相励磁 2W1-2相励磁 4W1-2相励磁

ステッピングモータの駆動

(22)

ステッピングモータの特徴と用途転載厳禁

特徴

メリット

・モータの回転角度は、入力パルスに比例する。

・静止状態でトルクが最大になる

（巻線に通電している場合）。

・良いステッピングモータは、ステップ角の誤差は

±３～５％の精度を持ち、この誤差はステップ間で累積しないため、高精度な位置決めと動作の反復性を持つ。

・始動／停止／逆転の反応が優れている。

・接触ブラシがないため、非常に信頼性が高い。

モータの寿命は軸受けの寿命にのみ依存する。

・モータはオープンループ制御が可能なデジタル入力パルスに応答することから、モータ制御がより容易かつ低コストになる。

・負荷直接接続の場合、超低速な同期運転が可能になる。

・回転速度は入力パルスの周波数に比例するため、広範囲の回転速度を実現できる。

デメリット

・制御が不適切な場合、

共振が発生することがある。

・超高速での運転は容易でない。

・省電力化に向かない。

(23)

ステッピングモータの特徴と用途転載厳禁

用途例

ODD［Optical Disc Drive］

(PC/Game用DVD/Blu-rayドライブ) Blu-rayレコーダ/プレーヤ

スレッド：光ピックアップをディスクの中心から外周まで大きく移動球面収差[SA]補正：補正レンズ等の移動

インクジェットプリンタ

マルチファンクションプリンタ (スキャナ)

レーザービームプリンタ(LBP) ドラム：感光ドラムの転写と紙を送る機構全体を動作紙送り

PPC

［Plain Paper Copier:

普通紙用コピー機］

ドラム：感光ドラムの転写と紙を送る機構全体を動作スキャナ

紙送り他デジタルスチルカメラ

オートフォーカス (ズーム)

(アイリス[絞り]) 携帯カメラモジュールオートフォーカス

ズーム

家電時計：針の回転

エアコン：ルーパ他

車載電装ヘッドランプAFS・オートレベラー、電動EGRバルブ、メータディスプレイ、他製造装置、遊戯機器(パチンコ、ゲーム機)、医療機器、分析機器、ATM、自販機、改札、券売機、ロボット、他

(24)

転載厳禁

引用:

Fig P41_1 http://www.minebea.co.jp/news/ 小型・高分解能・高剛性ハイブリッド型ステッピングモーター

「25□(かく)1.8°」(外形寸法25mm角、ステップ角1.8度)の製品化 Photo P41_1 http://www.monotaro.com/ モノタロウ>ステッピングモータ

Photo P41_2 http://www.robotsfx.com/ 浅草ギ研>サーボ・アクチュエータ

Fig P41_2 http://www.nidec.com/ 2-4-2 クローポール型PMモータ

(25)

ステッピングモータの構造、動作原理、駆動方法、特徴、用途例