tsurfの機械設計研究室

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サーボモーターとステッピングモーターの位置決めの違い

本ブログの御訪問ありがとうございます

機械設計歴20年以上のtsurfと言います

 

今回は以下に関する記事です

サーボモーターと
ステッピングモーターの位置決めの違い

  

⇩本記事は以下の方にオススメです⇩

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とある
未経験機械設計者

サーボモーターと
ステッピングモーターって
位置決めがどう違うのよ

 

 

 

⇩本記事を読むと以下が わかります⇩

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管理人TSURF

以下を解説します
サーボモーター⇒クローズループ制御
ステッピングモーター⇒オープンループ制御

 

 

 

①結論

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概要

モーターで位置決めをすると考えた場合
モーター単体では、現時点での総回転数回転速度
などの情報がわかりません。

 

ボールネジ機構の場合を考えると
総回転数=距離や位置 
回転速度=速度
 
ですので、これらを精度よく管理したいのであれば
なんらかの方法で、それらを検出しなくてはいけません。

 

本記事では 回転数回転速度などの検出手段を
位置決めの仕組みとして
ステッピングモーターと サーボモーターで解説していきます。

サーボモーターとステッピングモーターは
同じ 高精度な位置決めができるモーターですが

位置決めの仕組みが違います。

 

サーボモーターの
クローズループ制御概要

(概要なので詳細は後述します。)

サーボモーターは本体に、
ロータリーエンコーダーという回転角度検出センサーがついています。

f:id:tsurf:20210811115718p:plain

通常のモーターは、ドライバーから 1パルス回転の駆動電流
の指示を受け取ったとします。


すると その駆動電流で1パルス分の回転しますが、
その後 惰性で 回転し続けようとします。
(まぁ 機械摩擦でいずれ止まりますが)

 

そのため、
通常のモーターは、1パルス分の駆動電流を与えても
本当に1パルス分の位置にいるかがわからないのです。

 

そこで 1パルス分精度よく回転させたい場合 
1パルス分の回転位置で、精度よく止まらせるために、
回転角度検出センサーが必要
なのです。

 

サーボモーターは この回転角度検出センサーから報告される 
現在の位置や速度を確認して、目標値に向かって駆動させます。

 

もし 何かの不具合で 現在値が少しずれたとしても
ロータリーエンコーダーから 現在値のズレも報告されますので
修正され 目標値に向かいます。

 

 

ステッピングモーターの
オープンループ制御概要

(概要なので詳細は後述します。)

ステッピングモーターは モーターの特性として
駆動電源1パルス与えたら、1ステップ角度進んで停止するという 
通常のモーターにない特性があります。

 

ドライバーからモーターへ発信した 駆動パルス分進んだら 
そこで止まる性質があるので、目標値分の駆動パルスを与えれば 
そこで停止します。

 

つまり 位置決めするだけなら 
ロータリーエンコーダーからの報告を必要としません。

 

ただし 何かの不具合で 現在値が少しずれたとしても
ロータリーエンコーダーから 現在値のズレが報告されないので
脱調と言って 位置が修正されません

 

 

補足  
サーボモーターの位置決め完了時
の停止状態の違い

サーボモーターは、あくまでモーター特性上
ステッピングモーターのように、位置決め後の完全停止ができません。

 

従って、サーボモーターは位置決め完了時
ロータリーエンコーダーの分解能の±1パルス分 行ったり戻ったりを
繰り返しています。

 

機械摺動部の摩擦が大きい場合は、問題ありませんが 
摩擦が小さい場合、微振動として、現れる場合もあります。

 

 

②ボールネジ機構での位置決め

説明用モデル解説

ボールネジ機構を例に、各モーターに関して詳しく説明します。
以下の例のように、ドライバーから、現在の位置A地点からB地点に行けと
指示が出たとします。

 

  • 移動距離:⊿L(mm)
  • ボールネジリードピッチ:Ph(mm/roll)

 

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位置決めの基礎

まずは、上位ユニットである 位置決めユニットから
モーターのドライバーに A地点からB地点に向かうための
総回転数と回転速度の情報を 入力パルス列信号と言う形で発信します

 

『👉パルスとモーター駆動の関係 1』

通常 1パルスとの関係が、
以下のようになるように制御設計をします。

サーボモーターの場合 ロータリーエンコーダーの分解能
ステッピングモーターの場合 1ステップ角の分解能

 

位置決めユニットの1パルス指示は 
ーターの最小角度回転動作ということです。

 

 

『👉パルスとモーター駆動の関係 2』

下図より 総回転数と回転速度は、
ボールネジ機構において、以下に影響してきます。

総パルス数PK 総回転数 移動距離

単位時間当たりのパルス数Ps

回転速度 直動時の移動速度

 

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例えば、説明用モデルで
以下の条件を想定した場合の総パルス数Pkを計算します。

  • 移動距離⊿L=200mm
  • ボールネジのリードピッチPh 5mm
  • モーターの分解能A 1000P/REV(一回転当たりのパルス数)

Pk=⊿L ÷ Ph x  A=200 ÷ 5 x 1000=40000

つまり 位置決めユニットから 40000パルス発信することになります

 

 

③サーボモーターの位置決め

位置決めユニットから 
モータードライバーに 入力パルス列信号を発信

   ⇩

ドライバーは 入力パルス列信号を
実際にモーターを動かす駆動電源に変換して、モーターを動かします。

   ⇩

サーボドライバーは 駆動電源でモーターを動かしますが、同時に
モーターについているロータリーエンコーダーから
現在の回転速度(直動速度)や総回転数(現在の位置)を
パルス列信号として報告されます。

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   ⇩

位置決めユニットから送信された 入力パルス列信号と
ロータリーエンコーダーから報告される出力パルス列信号に
ズレが生じた場合に、補正を掛けます。

 

上記のようにして 高精度な位置決めをします

 

④ステッピングモーターの位置決め

位置決めユニットから 
モータードライバーに 入力パルス列信号を発信

   ⇩

ステッピングモータードライバーは 入力パルス列信号を
実際にモーターを動かす駆動電源に変換して、モーターを動かします。

   ⇩

ステッピングモーターは 冒頭で説明したとおり
1パルスあたり 1ステップ角回転してとまると言う特性から
発信パルス数と回転数が完全に同期します。

 

従って ロータリーエンコーダーがなくても 
高精度な位置決めができます。

   ⇩

ただし ロータリーエンコーダーの監視がないので
外部の外力によって 大きくズレが生じた場合は 位置を見失います。

 

 

⑤まとめ

  • サーボモーターとステッピングモーターは高精度な位置決めができる
  • サーボモーターとステッピングモーターは位置決めの仕様が違う
  • サーボモーターは クローズループ制御
    ロータリーエンコーダーからの 現在の回転数と回転速度の情報を元に
    ドライバーが 目標値に向かって制御をする
  • ステッピングモーターは オープンループ制御
    1パルスで1ステップ角回転して停止する
  • つまり 発信パルス数と 回転角度が同期しているので、
    エンコーダーが必要ない

 

本記事は以上です

最後までお読み頂きありがとうございます

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