ステッピングモーターの精度を上げる方法

工学分野では、機械公差が、その用途を問わずあらゆる種類の機器の精度と正確性に大きな影響を与えることはよく知られています。この事実は、ステッピングモーター例えば、標準的なステッピングモーターの許容誤差は、1ステップあたり約±5%です。ちなみに、これらの誤差は累積しません。ほとんどのステッピングモーターは1ステップあたり1.8度移動するため、1回転あたり200ステップであっても、潜在的な誤差範囲は0.18度となります（図1参照）。

2相ステッピングモーター - GSSDシリーズ

精度のためのミニチュアステッピング

標準精度は±5%（累積なし）であるため、精度を向上させる最も論理的な方法は、モーターをマイクロステップ制御することです。マイクロステップ制御は、ステッピングモーターの制御方法の一つで、分解能が高いだけでなく、低速時の動作も滑らかにするため、一部のアプリケーションでは大きなメリットとなります。

まず、1.8度のステップ角から始めましょう。このステップ角は、モーターの速度が遅くなるにつれて、各ステップが全体に対する割合を大きくすることを意味します。速度が遅くなるにつれて、比較的大きなステップサイズはモーターにコギングを引き起こします。低速時の動作の滑らかさの低下を軽減する一つの方法は、モーターの各ステップのサイズを小さくすることです。ここで、マイクロステップが重要な代替手段となります。

マイクロステップは、パルス幅変調（PWM）を用いてモータ巻線への電流を制御することで実現されます。モータドライバは、互いに90度位相がずれた2つの正弦波電圧をモータ巻線に供給します。そのため、一方の巻線で電流が増加すると、もう一方の巻線では電流が減少し、電流が徐々に伝達されます。その結果、標準的なフルステップ（あるいは一般的なハーフステップ）制御よりも滑らかな動作と、より安定したトルクが得られます（図2参照）。

単軸ステッピングモーターコントローラー+ドライバーが動作する

マイクロステッピング制御による精度向上を決定する際には、それがモーターの他の特性にどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。マイクロステッピングによってトルク伝達の滑らかさ、低速動作、共振が改善される可能性がありますが、制御とモーター設計における一般的な制約により、理想的な全体特性を実現することはできません。ステッピングモーターの動作特性上、マイクロステッピング駆動は真の正弦波に近似することしかできません。つまり、マイクロステッピング動作によってこれらの特性が大幅に低減されるにもかかわらず、トルクリップル、共振、ノイズはシステムにいくらか残存することになります。

機械精度

ステッピングモーターの精度を上げるためのもう一つの機械的な調整方法は、慣性負荷を小さくすることです。モーターが停止しようとする時に大きな慣性負荷がかかると、負荷によってわずかに過回転が発生します。これは多くの場合小さな誤差であるため、モーターコントローラを使用して補正できます。

最後に、コントローラについて考えてみましょう。この方法は、ある程度の技術的労力を要する場合があります。精度を向上させるには、使用するモーターに特化して最適化されたコントローラを使用することをお勧めします。これは非常に精密な方法です。コントローラがモーターの電流を正確に制御する能力が高ければ高いほど、使用するステッピングモーターの精度が向上します。これは、コントローラがステッピング動作を開始するためにモーターの巻線に供給される電流量を正確に制御するためです。

モーションシステムにおける精度は、アプリケーションによっては一般的な要件です。ステッピングシステムがどのように連携して精度を実現するかを理解することで、エンジニアは利用可能な技術、特に各モーターの機械部品の製造に使用される技術を最大限に活用できるようになります。