ステッピングモーターとは

ステッピングモーターというモーターがあります。
この記事では、ステッピングモーターの特徴からドライバーを使った制御方法まですべてを解説します。

ステッピングモーターの特徴

ステッピングモーターはこのような形をしています。

ステッピングモーターの特徴を一言で表すと、「サーボモーターの角度検出器がないモーター」と言うことができます。
つまり、

・回転角度を制御可能（分解能が高い）
・回転速度を制御可能
・ただし、何度回転したかを測定するセンサーはない

のような特徴があります。

他にも、機械的特徴として

・保持トルク（停止しているときのトルク）が高い
・故障が少なく信頼性が高い（内部に電子部品がないため）

等があります。

ステッピングモーターの動作の仕組み

上の図は、ステッピングモーターの内部を、簡単*1に図示したものです。L1、L2、L3、L4は電磁石です。中央にあるのは磁石です。赤いほうがN極とします。この磁石はモーターの軸にくっついているので、磁石が回ると、モーターの軸も回ります。

1相励磁

では、このモーターを回転させるにはどうすればいいのでしょうか。答えは簡単です。
電磁石をL1→L2→L3→L4の順にひとつずつＯNにすれば、モーターは反時計回りに回転します。

　

Ｌ4→Ｌ3→Ｌ2→Ｌ1の順に（さっきと反対向きに）ＯＮしていけば、反対向きに回転します。

このようにして、ONにする電磁石を１つずつ切り替える方法を「1相励磁」と言います。

この場合、一回のパルス入力で90°回ります。この一回パルスをモーターに送ると何度回るかを「ステップ角度」と言います。なので、この場合のステップ角度は90°です。
　しかし、より精密にモーターの回転角度を制御したい時は、ステップ角度がより小さくなければいけません。つまり、ステップ角度を小さくする工夫が必要です。その工夫の一つが「2-1相励磁」や「マイクロステップ」と言われるものです。

2-1相励磁

「2-1相励磁」という方法を使うと、ステップ角度を半分にすることができます。どうするのかというと、
L1がONの時（下図の左側）とL2がONのとき(下図の右側）の間に、もう一つL1とL2を両方ONにするタイミングを作るのです（真ん中の図）。

そうすると、磁石は、L1とL2の間の位置に静止します。よって、ステップ角度が半分（この図では45°）になるのです。

マイクロステップ

「2-1相励磁」を使うと、ステップ角度を半分にすることができました。「それ以上ステップ角を小さくできる方法はないだろうか？」ということで、生まれたのが、「マイクロステップ」という制御方法です。

今までは、１つまたは2つの電磁石をON/OFFするだけでした。ですが、今回は、それぞれの電磁石の出力として、「出力100％」（ON）と「出力0％」（OFF）の間の状態である、「出力25％」や「出力50％」、「出力75％」の状態を追加します。

STEP1

まず、一番左の図のようにL1がONになっているステッピングモーターがあるとします。この時にＬ1に流している電流の量を「100％」とします。

STEP12

次に、Ｌ1に「25％」電流を流し、Ｌ2に「75%」の電流を流します。すると、電磁石は、Ｌ1とＬ2の間で静止します。そして、Ｌ1のほうが多く電流が流れているので、Ｌ1のほうに強く引き付けられ、電磁石が静止する位置は、Ｌ2よりもＬ1に近い位置になります。

STEP3

次にＬ1とＬ2に50%の電流を流します。すると、Ｌ1とＬ2の電流は同じなので、電磁石は、Ｌ1とＬ2のちょうど真ん中で静止します。

STEP4

そして、Ｌ1を出力75%、Ｌ2を出力25%に設定します。すると、Ｌ2のほうが多く電流が流れているので、その位置は、Ｌ1よりもＬ2に近い位置になります。

STEP5

そして、Ｌ2を出力100％にしてL1を0％（OFFの状態）にすると、電磁石は上の図の一番右の状態になります。

このようにして、1相励磁のステップ角度を4分割することができました。なので、ステップ角度は90/4で22.5°になります。

このようにして、電磁石に流れる電流の量を変えることによって、ステップ角度を小さくする方法を「マイクロステップ」と言います。

また、この場合は、ステップ角度が4/1になるので、「4/1マイクロステップ」と言います。ほかにも、ステップ角度が8/1になる、「8/1マイクロステップ」、ステップ角度が16/1になる、「16/1マイクロステップ」などがあります。

ステッピングモーターの実際の形

今まで説明してきた図は、あくまで簡略図であり、本物のステッピングモーターはあのような形状をしていません。

実際のステッピングモーターはこのような中身です。

このギザギザ一つ分の角度が、1相励磁のときの1ステップ角度となります。

ユニポーラとバイポーラ

ステッピングモーターにはユニポーラ型とバイポーラ型があります。
ユニポーラの「ユニ」は「単極性」を表していて、コイルに電流が一方向にしか流れません。
一方、バイポーラの「バイ」は「双極性」を表していて、コイルに電流を双方向に流すことができます。そのため、各コイルの中間点からも線が伸びているのがわかると思います。

脱調とは

モーターの回転数には限界があり、回転速度を大きくしすぎたり、回転軸に必要以上の力を加えたりすると、モーターのシャフトの回転がコイルの電磁波の回転（理想）に追い付かなくなります。そうなると、信号は入力しているのに、モーターが回らないという現象が起こります。このことを「脱調」と言います。脱調は、モーターの軸にかける力を大きくすればするほど（重いものを動かそうとすればするほど）、信号を速くればするほど起こりやすくなります。

この知識を利用して、実際にステッピングモーターを動かしてみました。
shizenkarasuzon.hatenablog.com

*1:実際の形状とは全く違います。動作の仕組みを表すためにとても簡略化して書いています。