電子工作「ステッピングモーターの動作原理」のご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

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今回は、電子工作「ステッピングモーターの動作原理」をご紹介します。

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ステッピングモーターを回転させるには、単純な電圧や電流の制御ではなく、複数の巻線（コイル）に順番に電流を流すという操作が必要です。今回はステッピングモーターの動作原理をご紹介します。

一般的なモーターは、電源から直流や交流の電流を与えると、連続的に回転します。このときの回転速度は与える電力、負荷の大きさ、交流モーターなら周波数などによって決まります。

正確な回転量や回転速度を実現したい場合は、

• モーターの軸や負荷装置の側に回転量や速度を調べるセンサーを装着し、
• センサーから得られた情報に基づいてモーターを制御する必要があります。

サーボモーターはセンサーや制御回路など、複雑な構成になりますが、もっと簡単な構成で指定した速度、回転量で運転できるモーターがあります。それがステッピングモーターです。

　一般的なステッピングモーターは、界磁側の2組の固定巻線により磁力を発生し、回転子に回転する力を作用させます。回転子には電流を流す巻線はなく、鉄やマグネットで構成されています。

ステッピングモーターを単純化した構造が下図です。A相巻線とB相巻線に流す電流を規則的に変化させていくことで、マグネットで構成された回転子の角度が変化していきます。

実際のステッピングモーターはこんなに単純な構造ではなく、回転子側、固定巻線側の磁極の形状を工夫することで、励磁ごとに進む角度がもっと小さくなります。

ステッピングモーターは各巻線に電流を流して磁界を発生させますが、その構造上、それぞれの巻線の磁界の向きを反転できなければなりません。巻線は電磁石として機能するので、磁界の反転は、巻線に流す電流の向きを逆にします。

原理の面で単純なのはバイポーラ形ですが、トランジスタを使って駆動回路を組み立てる場合、回路が複雑になるという欠点があります。

巻線に流す電流を反転させるために、図（a）に示すようにHブリッジ回路構成にしなければならず、パワートランジスタが4個必要になり、また電源のプラス側のトランジスタ（ハイサイド）を制御するための回路が複雑になります。

ユニポーラ形は、常に巻線の半分にしか電流を流さないので効率が悪いという欠点がありますが、駆動回路が単純になるという特長があります。

図（b）のように単純なOn/Off回路を2組用意し、中央のコモン端子を電源のプラスに接続し、両端の端子にトランジスタを置いてグラウンドへのスイッチングを行います。この構成はパワートランジスタ2個で済み、ハイサイド側の回路は不要です。

モータードライバを個別のパワートランジスタなどを使って自分で組み立てる場合は、このドライバ構成の差は大きな要素ですが、ドライバICだけでまかなえる小型モーターなら、面倒な回路の大半がICに組み込まれているので、バイポーラ型の複雑さという点はさほど問題になりません。

ステッピングモーターを回転させるには、2組の巻線に流す電流の極性とタイミングを制御します。この制御にはいくつかのやり方があります。

1-2相励磁は、2組のコイルの電流を両方流す、片方だけ流すという切り替えを行うことで、回転子の極を中間に位置させてステップ間隔を半分にしました。

1-2相励磁は、両方の巻線に電流を流す際に、電流量を減らすことで、1相励磁のときと同等の磁力としますが、これをさらに細かく制御して、ステップ間隔をより小さくすることができます。

1-2相励磁では最大電流、その1/2、0というように3通りですが、1/4段階ごとにすれば5通りの電流量になります。2組の巻線の電流量のバランスを変えることで、回転子の角度はそれぞれの電流量による磁力の差がバランスする位置になります。

前述の1-2相励磁は、もっとも単純なマイクロステップ制御ということになります。マイクロステップ制御でステップ角度が小さくなり、モーターをより滑らかに回転させることができます。特に低速回転時に断続的な動きを解消でき、騒音や振動を小さくできます。

マイクロステップ制御を行うためには、巻線に流す電流を変化させなければならないため、制御回路が複雑になります。一般に電流制御はPWMで行います。

マイクロステップ制御は低速回転時には有効な機能ですが、高速回転時にはあまり意味がありません。回転子の慣性モーメントの影響や電磁気的な効果により、マイクロステップを使わなくても、断続的な回転ではなく連続回転になるためです。

ステッピングモーターは正確に回転量を制御できます。そして大電流を流すことで大きな低速トルクを得ることができます。

しかし苦手なこともあります。その1つが高速回転です。巻線に順に電流を流すという制御を数百回行ってやっと軸が1回転するという構造上、回転を上げるには高速なスイッチング制御が必要です。

また回転速度が高くなると、軸トルクは小さくなります。これはモーター全般に共通する特性なのですが、モーターは回転することで発電機として動作するため、内部の巻線に逆起電力が発生します。

ステッピングモーターの最大の欠点は脱調です。ステッピングモーターは正確に回転を制御できますが、負荷が大きすぎると、想定通りに回転できない場合があります。これを脱調といいます。

ステッピングモーターは汎用部品なので、基本的な原理や使い方を理解していれば、必要な製品を自分で探したり、あるいは用途に応じて適当なものと交換したりすることができます。

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