未選択｜長良の落陽。

サーボモーターとステッピングモーターの違いと使い分け

サーボモーターとステッピングモーターの使い分けをするには、サーボモーターとステッピングモーターの違いを把握する必要があります。

サーボモーターとステッピングモーターの違い「従来常識」

ここでは、設計初心者に向けてサーボモーターとステッピングモーターの使い分けをするために必要な大きな違いを纏めました。

サーボモーターは高いがステッピングモーターは安い

サーボモーターに比べてステッピングモーターは一般的に「使いやすくて安い」と言われていますが、安いといっても購入の安さと制御がシンプルで結果的に安いというのがあります。ステッピングモーターはセンサもフィードバックも不要なので構造物がシンプルで制御もシンプルということです。

サーボモーターとステッピングモーターはトルク特性が違う

サーボモーターは中回転域から高回転域までフラットなトルク特性が特徴で、ステッピングモーターのトルク特性はフラットではなく、低～中回転域においてトルクが高く高回転域ではトルクが下がってきます。

サーボモーターは過負荷アラーム。ステッピングモーターは脱調

急激な速度変化及び過負荷時において、サーボモーターとステッピングモーターは私たちに対して違う反応をします。サーボモーターは過負荷アラームが鳴り停止、ステッピングモーターはアラーム無く脱調し同期を失います。脱調とは「入力パルスに同期しなくなった状態」であり回転角度を制御できなくなってしまいます。但し、設計が適切で容量選定が適切なモーターを使用の場合、モーターが脱調することはありません。

応答性はステッピングモーターの方が勝っている

サーボモーターはエンコーダのフィードバックを待つので指令に対しての「遅れ」が存在するんですが、「オープンループ制御ステッピングモーター」はパルスに同期して動作するので「遅れがほぼ無い」です。そのため実は複数モーターの同期運転にも特性的には適しています。

停止精度はサーボモーターもステッピングモーターも高い

停止精度はサーボモーター及びステッピングモーター両者高精度であると考えてよいです。参考までにですが、ステッピングモーターの停止誤差はステップ間で累積しません。

サーボモーターとステッピングモーターの違い「新常識」

従来の常識において、サーボモーターとステッピングモーターを比べると、ステッピングモーターのコスト面の安さが選定のメインとなり、能力はなかなか理解されないまま「制御＝サーボモーター」という流れが強かったと思います。うまくステッピングモーターを使えば安く設備を作れるのにあえてサーボを選んでしまっているという設計士も多いはずです。

最近では少し制御の常識が変わってきて、ステッピングモーターとサーボモーターの使い分けがより明確になってきました。以下がその新常識です。

サーボモーターもステッピングモーターもフィードバックはできる

今までのステッピングモーターはノンフィードバックが当たり前な所から、今ではセンサ内蔵のクローズドループ制御タイプのステッピングモーターもありますし、エンコーダー付きのステッピングモーターもありますので、フィードバックはサーボモーター・ステッピングモーターいずれも可能であると考えたほうが良いです。エンコーダーをつけることによりステッピングモーターの弱点である効率の悪さも改善されているようです。

サーボモーターとステッピングモーターの使い分けまとめ

以下にサーボモーターとステッピングモーターの使い分けを私なりの順番にて記載いたします。これが全てではないと思いますが、サーボモーターとステッピングモーターの特色を生かした判断ができるようにしてあります。

装置に必要な制御の把握

フィードバックが必要なときはサーボモーターか、エンコーダ付きのステッピングモーターもしくはセンサ内蔵のクローズドループ制御タイプのステッピングモーターを利用する。→この時点ではどちらを選択しても良い

補間運転などの高度な制御が必要な場合はサーボモーターを選択する

補間運転とは位置決めにおいて2台あるいは3台のモータを同時運転して合成した運動をさせることです。その際にはサーボモーターを選ぶ必要があります。

低～中回転域はステッピングモーター。中～高回転域はサーボモーターを使用する。

装置の駆動に必要な回転速度が低～中回転域であればステッピングモーターでも良く、中～高回転域の回転を使用する場合はサーボモーターを選ぶ必要があります。

低回転はサーボモーターに不向きという意味ではなく、ステッピングモーターのトルク特性上、低～中回転域においてはステッピングモーターを使うメリットが大きいかも知れないといったところです。そして超が付くほどの低回転の場合はステッピングモーターを選択するのが良いかもしれません。ステッピングモーターは回転テーブルなどの角度割り出し、インチングなどに有利です。

※インチング（寸動運転）とは・・・ジョギングとも言い、モータの微回転等の始動電流の開閉を頻繁に行う事。

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3Dプリントプロジェクト「P-600」とは

アメリカングラファイト・テクノロジー社はもともとアメリカの鉱物調査と技術開発を行う上場企業で、炭素原子からなるグラフェンの研究開発を行っている。

グラフェンは21世紀の”奇跡の素材”として記載されており、柔軟でありながら銅や鋼より強く、より導電性に優れていると考えられている。

また、シリコンに代わる素材としても注目されており、より速くより安く、より柔軟につながるとされている。グラフェンの3Dプリンティングプロジェクト「P-600」はこのアメリカングラファイト・テクノロジー社とウクライナのハリコフ研究所が共同してあたるもので、ウクライナ科学技術センターが承認し支援を行う。

このプロジェクトでは3Dプリントのための材料として、ナノカーボンに含まれる物質、すなわちグラフェンの特性を研究するというものだ。「P-600」プロジェクトはナノテクノロジー、3Dプリント、固体物理、材料と熱物理学の専門家たちで構成されるというもの。

ウクライナ科学技術センター（通称STCU）は旧ソビエト時代に培われた兵器開発やR&Dの知識や技術力を軍事ではないハイテク経済の分野に転用することで経済発展を目指そうという趣旨の研究機関だ。

ウクライナ科学技術センターはいままでアメリカやカナダ、EUなどの160もの政府プロジェクトへの参加や、1200以上の各国の大学や研究機関の科学プロジェクトを支援している。

民間企業との共同研究も盛んで、代表的な企業として3M、インテル、ミシュラン、など140企業とのパートナーシップを結んでいる。2013年10月1日にウクライナ科学技術センターは正式にアメリカングラファイト・テクノロジー社とハリコフ研究所の共同研究に承認を行った。

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基礎から学ぶサーボモータの仕組み

いま注目を浴びているサーボモータとは一体どんなモータ？

私たちの日常生活を振り返ると、そのほとんどにモータが利用されていることに気づくでしょう。実は、世界で消費される電力のうち、モータが占める割合だけで約45％もあるというから驚きです。ただし、モータと一口に言っても、プラスチックモデルに付いている玩具のような小型モータから、発電所のポンプなどに使われる巨大なモータまで、様々な種類があります。

世の中には、こういった誰でも知っている汎用モータのほかにも、工場の製造ラインなどに使われるような特殊なモータもあります。その1つが「サーボモータ」と呼ばれる産業用モータです。では、サーボモータは、私たちが目にする汎用モータと比べて、どのように違うのでしょうか？

そもそもサーボモータの「サーボ」という語源は、「召使い」という意味の「Servant」（ラテン語ではServus）に由来すると言われています。ご主人が何か指示を出すと、それに従って召使いが忠実に働いてくれるようなイメージを想像すると分かりやすいかもしれません。

例えば、自動車製造工場で稼働する産業用ロボットは、部品をピッキングしたり、溶接したり、塗装したり、常に同じ動作を正確に繰り返しながら、大量の自動車を作り出しています。ロボットに内蔵されているサーボモータに指示を出すと、決められた位置や速度や回転力（トルク）で忠実に動いてくれます。

そのため、いまやサーボモータは、超高速や超精密な制御を行う産業機械の構成要素として、必要不可欠なものになっています。例えば、前出の産業用ロボットはもちろん、工作機械、電子部品の実装装置、半導体・液晶製造装置、射出成形機、ラベル包装機、プレス機械、医療機器など、様々な利用シーンで大活躍しているのです。

サーボモータとセットになった重要な構成要素とは？

サーボモータは、過酷な環境で何度も起動と停止を繰り返しながら動くため、一般的なモータよりも信頼性が高く、壊れないような構造になっています。かつては直流で動くDCサーボモータが使われていましたが、現在は交流で動くACサーボモータが主流になっています。DCサーボモータには「ブラシ」という機械式なスイッチがありました。しかし、ブラシの定期的な交換や、摩耗による粉塵の発生などがあり、保守性や信頼性に問題があったのです。

そこで、いまはブラシのないACサーボモータが、ほとんどの場合において採用されるようになりました。ACサーボモータの内部は「ロータ」と、その周りに配置された「ステータ」で構成されています。

ステータ（固定子）は、コアとなる鉄心の周りに電線が巻き付けられたものです。電線に電流が流れると、ステータの中は電磁石になります。交流は電流の向きと大きさが交互に変わるため、電磁石もそれに伴ってN極とS極に切り替わります。一方、ロータはモータの軸にあたる部分で、そこにもN極とS極の強力な永久磁石が埋め込まれています。

ACサーボモータのステータに交流が流れると、各コアが時間によってN極やS極になります。そして、ロータの永久磁石（N極やS極）を引き付けたり、あるいは反発させたりしながら、ロータを回転させるのです。なお、最近のACサーボモータは、全体がコンパクトになり、慣性（回転しづらさ）を小さくすることで、ロータが素早く回転できるように工夫が凝らされています。

また、ロータの後側には回転センサである「エンコーダ」が付いています。このエンコーダの内部には、スリットが刻まれた円盤と、光センサがあります。ロータとエンコーダの円盤は連結されているため、動いたスリットの数を光センサでカウントし、電気信号に変換することで、回転時の位置や速度を検出する仕組みです。

サーボモータが動く仕組みは？フィードバック信号とは何か？

前述のように、サーボモータは正確かつ素早く回転する機械ですが、モータ単体だけでは何もできません。モータを動かすためには、司令塔の役割を果たす「プログラマブルコントローラ（PLC）」と、実際にサーボモータを動かす「サーボアンプ」（ドライバ）が基本的には必要です。サーボアンプは、容量ごとに異なるサーボモータの性能を最大限に発揮できるようにチューニングされているため、メーカーによって両者がセットで販売されることが一般的です。

では、具体的にサーボモータは、どのような仕組みで動くのでしょうか？

まず、司令塔であるプログラマブルコントローラから、サーボモータをどう動かすべきか「位置/速度/回転力」についての目標値が出されます。位置なら、ある目標値でピタリと止められます。速度なら、低速から高速まで、一気に目標速度まで加速することが可能です。回転力については、サーボモータにかかる力（負荷）が急に変化しても目標の回転力を維持できます。

このようなプログラマブルコントローラからの目標値を受けるのが「サーボアンプ」です。サーボアンプは、サーボモータが目標値どおりに動くために必要な出力（電力）を供給します。ただし、本当にサーボモータが指令どおりに動いたかどうかは分かりません。そこで、前述のエンコーダが実際のサーボモータの回転位置や速度を検出し、その電気信号をサーボアンプに返します。

この信号のことを「フィードバック信号」（feedback）と呼びます。図の矢印のように、エンコーダがサーボモータからの信号を摂取し（feed）、それをサーボアンプ側に戻すわけです（back）。そして、プログラマブルコントローラから出された目標値とフィードバック信号を比較して、その誤差がゼロに近づくように、サーボモータの出力をうまくコントロールしていくわけです。

分かるように、このような制御は、フィードバック信号がサーボアンプ側に戻され、閉じられたループを構成するため、「クローズド・ループ制御」と呼ばれています。サーボモータの最大のメリットである正確な位置/速度/回転力は、このクローズド・ループ制御によって生み出されるのです。

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モータの回転原理

電流と磁界と力について

最初にこれからする説明のために、電流と磁界と力に関する基礎となる法則などをおさらいしておきます。懐かしい感じがしますが、普段、磁気関連の部品を使うことが少ないと忘れがちです。

モータの回転原理

モータの回転原理を説明します。図と式を使います。

導線が長方形の場合に、電流に働く力を考えます。

辺a、cの部分に働く力Fは、

　F=B×I×l[N]

となり、中心軸を軸としたトルクを生じます。

たとえば角度θだけ回転した状態を考えると、b、dに直角に働く力はsinθ分になるため、aの部分のトルクTaは、次の式で表されます。

Ta≃h/2×B×I×l×sinθ[N∙m]

cの部分も同様に考えると全体で2倍になり、以下の式で算出されるトルクが発生します。

　T=B×I×h×l×sinθ[N∙m]

長方形の面積はS＝h・lなので上記の式に代入すると、以下になります。

　T=B×I×S×sinθ[N∙m]

この式は長方形だけでなく、円形など他の一般的な形でも成り立ちます。この原理を利用したものがモータです。

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モーターのノイズ対策

１．モータのノイズの概要

電子機器の多様化に対応して、入力電力3W程度以下のブラシ付き小型直流モータ(DCマイクロモータ)は、特に音響機器、OA機器、車載機器などの分野において大幅に需要が増大している。DCマイクロモータは励磁コイルに流れる電流が、モータの回転に伴って高速でON-OFFされるため、誘導性負荷を開閉した時と同様のメカニズムでピーク電圧が高く、立ち上がりのdv/dtが極めて大きいサージが連続して発生し、これが原因で広い周波数帯域に渡ってレベルの大きなノイズが発生する。極めて広い周波数帯域に渡ってレベルの高いノイズが観測され、エミッション(EMI)規制のみならず、近年の高性能な映像機器、音響機器の画像、音質劣化など、機器自体および周辺機器に対しても様々な悪影響を及ぼしている。

① ノイズ対策部品

DCマイクロモータのノイズ対策部品としてはモータ内部に実装するリングバリスタ、外付け用としてコンデンサや巻線型インダクタが使用される。

リングバリスタ

コンデンサ

インダクタ

② ノイズ対策技術

モータのノイズの吸収は発生源で対策可能なリングバリスタが理想的で、最も効果的である。リングバリスタSTRによるモータノイズ吸収効果例として、0.6WのDCマイクロモータに50cmの電源供給用ケーブルを接続し、20g/cmの低負荷にて駆動した時に発生する輻射ノイズを3mの距離において、リングバリスタなしのモータとSTRを装着したモータについて比較した結果として、STRを装着することにより、広い周波数帯域にわたって大きな効果を発揮することがわかっている。

2．リングバリスタ

リングバリスタの吸収効果は、一般に駆動回路やモータとの相性によって大きく変化するため、モータメーカ、リングバリスタメーカを含めて十分に検討することがコストパフォーマンスを引き出すポイントとなる。

コンデンサ、インダクタのみの対策では不十分で、この両者を組み合わせてLCフィルタを構成させることにより、十分な吸収効果を得られることもある。

フィルタはDCマイクロモータの端子部分に直接接続することが重要で、例えば電源ケーブルを接続する基板側に構成しても、輻射ノイズに関してはほとんど効果は得られない。

外付けLCフィルタによる対策は、5つの素子の部品代、加工費を考えればリングバリスタによる対策がトータルで安く、確実な方法と言える。

3．モータのノイズまとめ

一般にDCマイクロモータのノイズ発生量は負荷の重さにより大きく変化する。

そのためDCマイクロモータが組み込まれた機器のノイズ測定、対策を進める場合、機器に組み込まれたままの状態では、動作に伴ってモータの負荷状態が常に変化すること、対策のために機器の分解、組み立て作業の中でモータの取り付け状態が変化すること、などの理由から測定されるノイズレベルが大きく変化するため、対策の効果を正確に捉えることが困難な場合が多い。

このためモータノイズが問題となった場合は、DCマイクロモータのみを取り出し、定負荷状態にて測定、対策を進めることが重要である。またケーブル上の電流スペクトラムを電流プローブとスペクトラムアナライザにより測定した結果は、輻射ノイズレベルとほぼ相関があることを利用して対策を進めるのも良い方法である。

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