機械要素:ステッピングモータの機能(機械設計技術 初級)

ステッピングモータの構造と機能、そしてサーボモータとの使い分けや、制御方式の違いを解説しました。どのシチュエーションでステッピングモータを選べばよいのか?の基準がわかる動画となっています。He explained the structure and function of stepping motors, how to use them properly with servo motors, and the differences in control methods. In which situation should I choose a stepper motor? It is a video that shows the standard of.

 

【書き起こし】機械設計技術 ステッピングモータの機能 

(00:09) こんばんはな神楽ですいつもご視聴ありがとうございます このチャンネルでは inventor 3 d cad の使い方や機械設計につい てお話ししています今日はステッピングモーターについてお話ししていきたいとおもい ます ステッピングモーターの機能は次の6つですね 一つ目速度制御ができ いる2つめ回転角度制御ができる 3つ目停止位置を保持できる4つ目 サーボモーターよりコストが安い 5つめポープんループ制御も爪が低速中速領域が得意と ステッピングモーターにはこのような特徴があります それでは今日も inventor 3 d cad を使いながら解説していきたい とおもいます 今日はこのような題材を用意してみましたターンテーブルの上にペットボトルが並んで いて45度文革8個並んでいます でそのターンテーブルをステッピングモーターで45度ピッチで回していきます 猫のペットボトルに液体を注入していくと
(01:17) そういう装置ですねこういった使い方をする場合ステッピングモーターが非常に向いて いるといえますちょっと動かしてみますね はいこれ45度ですね はいこれで更にもう45度ですね このようにして45度ピッチを繰り返してテーブルをターンさせて決まった行きに ペットボトルを停止させるとそういう機能が必要なんですね このような場合はステッピングモーターが非常に向いていますなぜ向いているかと言う と このように45度ぴったり回して停止すること できますねこれ角度制御と言いますけれども決まった角度でモーターを回して停止さ せることができますそれからこの45度という角度を 例えば1秒で回すという決まりがある場合にこれもステッピングモーターが非常に向い てますね ですからステッピングモーターは回転角 土と回転速度を両方制御できるそういうモーターになります それでは次はこのようなリフトテーブルを考えてみましょう
(02:28) このようにリフトアームで荷物を持ち上げて停止させる場合を考えてみたいと思います ちょっと動かしてみますね このように荷物を持ち上げた状態で停止して保持させるという状態もこの ステッピングモーターだけで可能になります ただし条件があってですね0時トルクというのがありましてそのモーターが保持できる トルクというのがあるんですけどもこの荷物の重さがそのトルクを超えない範囲でと いう条件付きですねその場合にこのように荷物を保持することができます はいそれではステッピングモーターの回転特製轟く特性についてお話ししていきたいと おもいます 比較としてサーボモーターとの違いも解説していきたいとおもいます こちらがミスミの技術情報のページで ステッピングモーターとサーボモーターの違いを分かりやすく解説してくれていますの でこちらを見ながら解説していきます まずステッピングモーターのトルク特性なんですけども このように横軸が回転数縦がトルクの表になってますね
(03:36) ステッピングモーターの特徴は回転数が上がれば上がるほどと録画落ちていきますです ので高回転で使う場合はちょっと不得意という領域になってきますね ですから低速から中速域で使うと 録画太くて使いやすいとそういうことになりますね 一方でサーボモーターのトルク曲線と併せて見ていきたいとおもいます はいこちらがサーボモーターのトルク曲線2ステッピングモーターのトルク曲線を 重ね合わせたものになりますね サーボモーターはですね回転数が上がってもトルクが落ちずにフラット登録をほぼ維持 しますステッピングモーターは回転数が上がるにつれてと力が落ちていきますので公開 と 選んで高負荷のものを動かしたいというときはサーボモーターが向いていますて ッピングモーターもサーボモーターも回転角度と回転速度を制御する モーターですけどもこのようなトルクの特性の違いがあります例えばサーボモーターは 6軸の汎用のロボット 移動車の組立工場
(04:40) なんかにあるようなロボットあのような高負荷で高速で動くようなものに使われてい ます一方でステッピングモーターは先程のような明るい商品をターンテーブルとか ベルトコンベアで回して位置決めするとそのような用途に向いています でコストを比較するとステッピングモーターの方がコストが安いので使う 目的によってサーボモーターとステッピングモーターをどちらを選定するかというのを 詳しく見て行く必要がありますではなぜサーボモーターの方が値段が高いかというと それは正義方式の違いですね えピングモーターはオープンループ制御でサーボモーターはクローズドループ制御です このあたりの構造と制御方式の違いについて詳しく話していきたいとおもいます はいこちらがオリエンタルモーターのステッピングモーターの構造を解説したページに なりますステッピングモーターはローターの方が歯車のような形状をしています で軸方向に2つの歯車がついていて 手前側のローターが s 極を小川のローターが n 極という風に
(05:48) 磁石が s 極 n 極に分かれていますでその歯車が1/2ピッチずつロータ市と ローターに出ずれています 一方でステーターガーは小さな葉を持っていてここに電気を流して例示していきます n と s を切り替えていってどんどんローターを回していくとそういうような構造 ですね ディステッピングモーターはコントローラーから指定された パルス本だけ動くということです例えばこのステッピングモーターが500分割されて いるモーターだとすると1パルスあたり0.72度回転するということになりますこの 1周360度分割 した数これを分解能と言います分解能が500分割とか 線分割というような言い方をします例えば線分割の分解のを持っていると1パルス あたり0.
(06:42) 36度動くと ということになりますねですからステッピングモーターで例えば0.1度動きなさいと 言っても 動かすことができないとそういう事になりますねただしちょっと補足なんですけども 構造的な分解の以外に電気的な分解能というのもできますですから 構造的に例えば500文革でもさらに細かく電気的に分割することができますので実際 はもっと細かく動くこと ができますこのステッピングモーターにはローターが回転した角度を読み取るセンサー 変更だーが付いてないんですね ですからコントローラーが例えば柔道動きなさいと言って動かしても本当に中どう動い たかどうかを制御では認識していないということになりますこれを オープンループ制御と言います はいそれではサーボモーターの構造を見ていきたいと思いますサーブモーターの構造は ステーター固定しとローター回転しがあります通常のモーターと同じような構造をして いるんですけども
(07:44) 最大の特徴はエンコーダーがついているところですね 先ほど説明した回転角 と回転速遠い読み取ることができるセンサーですこれによって コントローラーから出された信号回転角と回転速度通りに動いているかどうかを変更 だーで確認してもしズレがあった場合はその偏差を埋め合わせるような動きをします ですから常にローターのか 移転価格を見ていてズレがあった場合は補正するというのがサーボモーターの最大の 特徴ですねはいこのようにローターの回転角を見て体魚の方にフィードバックして補正 する制御おおお クローズドロープ制御と言いますだした市営に対して本当にその通り動いて いるかどうかを常に監視してズレがある場合は補正するというのが クローズドループ制御ですですからこのような構造の違いから サーボモーターの方がコストが高くステッピングモーターの方がコストが安いという ことになります
(08:47) それでは最後にステッピングモーターの最大の弱点である脱腸についてお話ししたいと 思います このようなリフト機構があって例えばここの荷物を30度アームを動かして下降させる 場合を考えてみたいと思いますちょっと動かしてみます はいこのように30どう動かして荷物を下降させることができました でここで予定外の荷重が上から加わったとしましょう モーターの英字トルクが負けてアームが下がってしまったと考えましょう このような状態になった時にてッピングモーターは自分の回転角を読んでないので アームが下がったかどうかっていうのを制御が認識してないんですね このような状態になると装置としてちゃんと機能してないし ひどい場合は事故が起こったりしてしまうわけですねですからこれがさあ 大モーターではこのようなことがないので位置がずれたらすぐ戻そうという作用がある のでこれがステッピングモーターとサーボモーターの最大の違いで
(09:54) でッピングモーターの決定逆にサーボモーターの長所ということになります こちらのホームページはオリエンタルモーターのステッピングモーターを解説した ページになります今日私がお話しした内容がすべて網羅されているようなページなので こちらを少しご紹介していきます 目からウロコのステッピングモーター新解説ということではい使いやすさ簡単さ 低コスト がポイントと書いてありますねむしろ優れている驚きの停止制度ということで オリエンタルモーターの場合は停止制度が0.05度を歌ってますね非常に高精度で 停止するということですね 中低速域ならを任せようということで先ほどお話ししたように 低速中速域のトルクが太い のでそのあたりの回転数で使う1偽名装置であれば ステッピングモーターが政敵だというような解説が書いてますね ねぇここに一例が色々書いてあって価格はだいたい4万円前後ですね ステッピングモーターはワット表示ができないんですけども
(10:59) トルコが変化するので割った表示ができ いないんですけどもまぁ報予想のワット観山で票が書かれていますね デヒョン100 w 750 w のサーボモーターとの比較が書いてあって ステッピングモーターね非常に優れているとサーボモーターと比べて低中速域では5倍 ぐらいのトルクが出るみたいですね 非常にそういう意味では優秀 だと言えると思います低コストで高トルクということですね 高い応答性と優れた同期生と書いてありますけど ステッピングモーターを応答性がいいんですね信号コントローラーから指令を出して から動き出すまでが非常に早いですね サーボモーターはやはり制御が複雑な分腰後れを取ると いうところがあるみたいですね こちらにどうかがあるんですけど このような感じで非常に高速で早く停止 軌道を繰り返すことができますね はいこんな用途が得意ということで低剛性の気候 頻繁な起動停止負荷が変動とこのようなターンテーブルとかねコンベアで移動させて
(12:06) 位置決めするような装置に非常に向いていると言えますねはいこのページのリンクを 概要欄に貼っておきますのでよろしければ後でご覧にな てください 今日はステッピングモーターの機能と特徴についてお話しさせていただきました 今後の皆さんの設計にお役立ていただければと思いますそれでは今日の動画は以上と なります今日もご視聴ありがとうございました また次の動画でお会いしましょう

・オリエンタルモーター 目からウロコんpステッピングモータ解説
https://www.orientalmotor.co.jp/om/knowledge/uroko_st/st01.html

・オリエンタルモーター ステッピングモータの概要
https://www.orientalmotor.co.jp/products/stepping/overview_1/

・オリエンタルモーター ステッピングモータの構造
https://www.orientalmotor.co.jp/tech/reference/stepping_motor01/

・オリエンタルモーター ACサーボモータの構造
https://www.orientalmotor.co.jp/tech/reference/servo_motor01/

・ミスミ モータの使い分け
https://jp.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/c1166.html

・この動画ではCAD操作がわかりやすいように マウスの左クリックは赤丸、右クリックは青丸のアニメーションがでますので参考にしながらご覧ください。
・講師は3D CAD歴26年、機械設計技術者1級を取得しています
・色覚弱者の方にも無理なく見ていただけるように、配色に配慮しております
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