ステッピングモータの制御 2006.03.19(日)〜
著作者名： 中野 良知 作成開始： 2004.06.25(金) 更新 ： 2004.07.11(月) ： 2006.02.01(水) 重複していた項目を削除し、項目番号を変更。 ： ２相駆動を追加。 ： 2006.02.02(木) １−２相駆動とマイクロステップ駆動を追加。 ： 着磁方向修正。 ： 2006.12.12(火) ステッピングモータの結線チェック方法の項目を追加。 ： 2007.09.17(月) 合成磁界ベクトルの移動項目に図形を追加。 ： ベクトル量の計算の項目を追加。
目次 1. １相駆動 1.1. １相駆動の特徴 1.2. １相駆動の回転原理 1.3. ４ステップモータの１相駆動タイミングチャート 1.3.1. 右回転タイミングチャート 1.3.2. 左回転タイミングチャート 1.3.3. 回転切換えタイミングチャート 1.4. ４８ステップモータの１相駆動タイミングチャート 1.4.1. 右回転タイミングチャート 1.4.2. 左回転タイミングチャート 1.4.3. 回転切換えタイミングチャート 2.−相駆動プログラム例 3. ２相駆動 3.1. ２相駆動の特徴 3.2. ２相駆動の回転原理 3.3. ４ステップモータの２相駆動タイミングチャート 3.3.1. 右回転タイミングチャート 3.3.2. 左回転タイミングチャート 3.3.3. 回転切換えタイミングチャート 3.4. ２相駆動のトルク 4. １−２相駆動 4.1. １−２相駆動の特徴 4.2. １−２相駆動の回転原理 4.3. ４ステップモータの１−２相駆動タイミングチャート 4.3.1. 右回転タイミングチャート 4.3.2. 左回転タイミングチャート 5. マイクロステップ駆動 5.1. マイクロステップ駆動の特徴 5.2. 合成磁界ベクトルの移動 5.3. ベクトル量の計算 6. ステッピングモータの結線チェック方法 6.1. 用意するもの 6.2. 手順 7. SLA7026Mの制御 7.1. 1相駆動 7.2. 2相駆動 7.3. 1-2相駆動 8. 法律条項 1. １相駆動 1.1. １相駆動の特徴 1) １つのコイルに通電します。 2) １相駆動では、ステータとロータの磁極同士が向かい合った位置で静止し 、保持状態になります。 1.2. １相駆動の回転原理 以下の説明に用いる原理ステッピングモータは、４ステップで１回転します。 図でロータは S ● N で示しています。 ●は軸の意味です。 SとNは磁極です。 1) はじめは、コイル X, Y, -X, -Yに通電していない状態で以前に停止した位 置にロータ(回転体)があります。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ ┌─────┐ ││ │ │S ● N│ │←ステータ2 ││ │┌┘ └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 2) コイル X に通電するとステータ1はN/Sに帯磁し、ロータのS-N極が引き寄 せられて右へ回転(1/4回転目)します。 ここをスタート位置とします。 コイル X -X ↑ ↓ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│N │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│S │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 3) コイル Y に通電するとステータ2はS-Nに帯磁し、ロータのN-S極が引き寄 せられて右へ回転(2/4回転目)します。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ ┌─────┐ ││ │ S│N ● S│N │←ステータ2 ││ │┌┘ └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ ↓ ↑ │ Y -Y コイル 4) コイル -X に通電するとステータ1はS/Nに帯磁し、ロータのN-S極が引き寄 せられて右へ回転(3/4回転目)します。 コイル X -X │ ↓ ↑ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│N │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 5) コイル -Y に通電するとステータ2はN-Sに帯磁し、ロータのS-N極が引き寄 せられて右へ回転(4/4回転目=１回転)します。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ ┌─────┐ ││ │ N│S ● N│S │←ステータ2 ││ │┌┘ └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│N │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ ↑ ↓ Y -Y コイル 6) コイル X に通電するとステータ1はN/Sに帯磁し、ロータのS-N極が引き寄 せられて右へ回転(1/4回転目)します。 コイル X -X ↑ ↓ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│S │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 以上でロータはスタート位置に戻ります。 1.3. ４ステップモータの１相駆動タイミングチャート 右左回転と、途中で回転方向を切り換える時のタイミングチャートを以下に示 します。 1.3.1. 右回転タイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 Xコイルに通電すると、軸は2の位置まで回転します。 以後順に、Y, -X, -Yと通電することにより軸は右回りで１回転します。 1回転目 2回転目 3回転目 │←─────→│←─────→│←─────→│ 軸位置 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ X ───┘ └─────┘ └─────┘ └─────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ Y ─────┘ └─────┘ └─────┘ └──────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -X ───────┘ └─────┘ └─────┘ └──────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -Y ─────────┘ └─────┘ └─────┘ └─────── →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 1.3.2. 左回転タイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 -Yコイルに通電すると、軸は4の位置まで回転します。 以後順に、-X, Y, Xと通電することにより軸は左回りで１回転します。 1回転目 2回転目 3回転目 │←─────→│←─────→│←─────→│ 軸位置 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ X ─────────┘ └─────┘ └─────┘ └── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ Y ───────┘ └─────┘ └─────┘ └──── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -X ─────┘ └─────┘ └─────┘ └────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -Y ───┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └ →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 1.3.3. 回転切換えタイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 Xコイルに通電すると、軸は2の位置まで回転します。 以後順に、Y, -X, -Yと通電することにより軸は右回りで１回転します。 次に、-X, Y, X, -Yと順に通電すると、軸は左回りで1回転し、通電前の 1 に戻ります。 右回転 左回転 │←─────→│←─────→│ 軸位置 1 2 3 4 1 4 3 2 1 ┌─┐ ┌─┐ X ───┘ └─────────┘ └────── ┌─┐ ┌─┐ Y ─────┘ └─────┘ └──────── ┌─┐ ┌─┐ -X ───────┘ └─┘ └────────── ┌─┐ ┌─┐ -Y ─────────┘ └─────┘ └──── →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 1.4. ４８ステップモータの１相駆動タイミングチャート 48ステップで1回転(1ステップ7.5度)するステッピングモータの右回転と、 左回転、さらに途中で回転方向を切換える場合のタイミングチャートを以下に 示します。 1.4.1. 右回転タイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 Xコイルに通電すると、軸は 2 の位置まで回転します。 以後順に、Y, -X, -Yと通電すると軸は右回りで4/48=1/12回転します。 さらに X, Y, -X, -Yの通電を11回繰り返すと軸は右に1回転します。 右回転(1回転) │←───────────────....───────→│ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 46 47 48 1 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ X ───┘ └─────┘ └──────....┘ └─────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ Y ─────┘ └─────┘ └────....──┘ └───── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -X ───────┘ └─────┘ └──....────┘ └──── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -Y ─────────┘ └─────┘ └....──────┘ └─ →│─│←1/48回転 │←─────→│ 1/12回転 1.4.2. 左回転タイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 -Yコイルに通電すると、軸は 48 の位置まで回転します。 以後順に、-Y, Y, Xと通電すると軸は左回りで4/48=1/12回転します。 さらに -Y, -X, Y, X,の通電を11回繰り返すと軸は左に1回転します。 左回転(1回転) │←───────────────....───────→│ 1 48 47 46 45 44 43 42 41 4 3 2 1 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ X ─────────┘ └─────┘ └....┘ └─────── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ Y ───────┘ └─────┘ └──....──┘ └───── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -X ─────┘ └─────┘ └────....────┘ └─── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -Y ───┘ └─────┘ └──────....──────┘ └─ →│─│←1/48回転 │←─────→│ 1/12回転 1.4.3. 回転切換えタイミングチャート パルスの通電前の軸の位置を 1 とします。 コイル X, Y, -X, -Y の順に通電を12回繰り返すと軸は右に1回転します。 次に -Y, -X, Y, X,の順に通電を12回繰り返すと軸は左に1回転し、通電前の 位置 1 に戻ります。 右回転の前半と中半部分及び、左回転の中半部分を省略しています。 右回転(1回転) 左回転(1回転) ──────────→│←─────────────..─────→│ 44 45 46 47 48 1 48 47 46 45 44 43 42 3 2 1 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ X ───┘ └─────────┘ └─────┘ └..────┘ └ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ Y ─────┘ └─────┘ └─────┘ └──..──┘ └── ─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ -X └─────┘ └─┘ └─────┘ └────..┘ └──── ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┐ -Y ─┘ └─────┘ └─────┘ └──────..└────── 2.−相駆動プログラム例 CコンパイラーはWinAVR、ターゲットデバイスはATTiny26Lです。 // ROM領域に定数配列のパルスデータを設定 const unsigned char pulse[] = {1,1+4,4,4+2,2,2+8,8,8+1}; main(){ // パルスデータ配列添え字用変数 int pulse_ptr; while(1){ // CCW SW押しチェック if((key_fix & CCW_SW) == CCW_ON){ PORTA = pulse[pulse_ptr]; if(++pulse_ptr == 8){ pulse_ptr = 0; } t1_up = 0; while(t1_up < 1); } // CW SW押しチェック if((key_fix & CW_SW) == CW_ON){ PORTA = pulse[pulse_ptr]; if(--pulse_ptr == 8){ pulse_ptr = 0; } t1_up = 0; while(t1_up < 1); } // STOP SW押しチェック if((key_fix & STOP_SW) == STOP_ON){ } } 3. ２相駆動 3.1. ２相駆動の特徴 1) ２つのコイルに通電します。 2) 隣り合ったステータの磁極と磁極の中間にロータが静止し、保持状態にな ります。 3) 回転トルクと、静止トルクが原理的には１相駆動より大きくなります。 3.2. ２相駆動の回転原理 説明に用いる原理ステッピングモータは、４ステップで１回転します。 図でロータは S ● N で示しています。 ●は軸の意味です。 SとNは磁極です。 1) はじめは、コイル X, Y, -X, -Yに通電していない状態です。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 2) コイルXとYに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータのS-N 極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータの磁 極の中間で静止し保持状態になります。 この位置をスタートとします。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘ N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 3) コイル-XとYに通電するとステータ1の極性が反転、ロータのS-N極は磁束密 度高い位置に引き寄せらて右へ回転し、ステータの磁極の中間で静止し、 保持状態になります。１／４回転します。 コイル X -X ↓ ↑ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ S│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐N ┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘ S└────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 4) コイル-Xと-Yに通電するとステータ2の極性が反転、ロータのS-N極は磁束密 度高い位置に引き寄せらて右へ回転し、ステータの磁極の中間で静止し、 保持状態になります。１／４回転します。 コイル X -X ↓ ↑ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ S│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N┌─────┐ ││ │ N│ ● │S │←ステータ2 ││ │┌┘S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↑ ↓ Y -Y コイル 5) コイルXと-Yに通電するとステータ1の極性が反転、ロータのS-N極は磁束密 度高い位置に引き寄せらて右へ回転し、ステータの磁極の中間で静止し、 保持状態になります。１／４回転します。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐S ┌─────┐ ││ │ N│ ● │S │←ステータ2 ││ │┌┘ N└────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ S│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 6) コイルXとYに通電するとステータ2の極性が反転、ロータのS-N極は磁束密 度高い位置に引き寄せらて右へ回転し、ステータの磁極の中間で静止し、 保持状態になります。１／４回転し 2)のスタート位置に戻ります。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ S│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 以上でロータはスタート位置に戻ります。 3.3. ４ステップモータの２相駆動タイミングチャート 4ステップで１回転するモータの場合について説明します。 3.3.1. 右回転タイミングチャート 通電前の軸の位置を 1 とします。 XとYのコイルに通電すると、軸は2の位置まで回転します。 以後順に、-X, -Y, X, Y とコイルの通電を切り換えることにより軸は右回りで １回転します。 1回転目 2回転目 3回転目 │←─────→│←─────→│←─────→│ 軸位置 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 ┌─┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌─── X ───┘ └───┘ └───┘ └───┘ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ Y ───┘ └───┘ └───┘ └───── ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ -X ─────┘ └───┘ └───┘ └─── ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ -Y ───────┘ └───┘ └───┘ └─ →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 3.3.2. 左回転タイミングチャート 通電前の軸の位置を 1 とします。 Xと-Yのコイルに通電すると、軸は4の位置まで回転します。 以後順に、-X, Y, X,-Y とコイルの通電を切り換えることにより軸は左回りで １回転します。 1回転目 2回転目 3回転目 │←─────→│←─────→│←─────→│ 軸位置 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 ┌─┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌─── X ───┘ └───┘ └───┘ └───┘ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ Y ───────┘ └───┘ └───┘ └───── ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ -X ─────┘ └───┘ └───┘ └─── ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ -Y ───┘ └───┘ └───┘ └─ →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 3.3.3. 回転切換えタイミングチャート 通電前の軸の位置を 1 とします。 Xと-Yのコイルに通電すると、軸は4の位置まで回転します。 以後順に、-X, Y, X,-Y とコイルの通電を切り換えることにより軸は左回りで １回転します。 右回転 左回転 │←───────────→│←───────────→ 軸位置 1 2 3 4 1 2 3 4 3 2 1 4 3 2 1 ┌─┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌─── X ───┘ └───┘ └─────┘ └───┘ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ Y ───┘ └───┘ └─┘ └───┘ └─ ┌───┐ ┌─────┐ ┌───┐ -X ─────┘ └───┘ └───┘ └─── ┌───┐ ┌─┐ ┌───┐ ┌─ -Y ───────┘ └───┘ └───┘ └───┘ →│─│←1/4回転 │←─────→│ １回転 3.4. ２相駆動のトルク X相とY相のそれぞれの磁界の強さが、1相の場合の磁界の強さと同じだとする と、2つの相の合成した磁界は1相の場合よりも強くなります。 この強い磁界により、ロータの回転と静止トルクが1相駆動よりも高くなりま す。 ↑ ／ │ ／ Y │ ／←合成磁界 相│ ／ │／ ────→ X相 4. １−２相駆動 4.1. １−２相駆動の特徴 1) １つのコイルに通電したり、２つのコイルに通電する時があります。 2) ステータとロータの磁極同士が向かい合った位置で静止したり、ステータ とステータの中間でロータが静止する場合があります。 3) ステップ角が１相や２相の駆動方式に比べ１／２になります。 現実にはモータにより１／２にならない場合があるようです。 4) 回転トルクや静止トルクは、１相に通電している時の値で見積もった方が 信頼性が向上します。 4.2. １−２相駆動の回転原理 説明に用いる原理ステッピングモータは、４ステップで１回転します。 図でロータは S ● N で示しています。 ●は軸の意味です。 SとNは磁極です。 1) はじめは、コイル X, Y, -X, -Yに通電していない状態です。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 2) コイルXとYに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータのS-N 極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータの磁 極の中間で静止し保持状態になります。 この位置をスタートとします。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘ N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 3) コイルXの通電をOFFし、Yにのみ通電するとステータ1の帯磁は無くなり、ス テータ2は下の図に様に帯磁します。 ロータのS-N極はステータ2の磁極に引き寄せられて右へ回転し、ステータ2 に向かい合った状態で停止し、保持状態になります。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ ┌─────┐ ││ │ S│N ● S│N │←ステータ2 ││ │┌┘ └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 4) コイル-XとYに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータのS-N 極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータの磁 極の中間で静止し保持状態になります。 コイル X -X ↓ ↑ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ S│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐N ┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘ S└────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 5) コイルYの通電をOFFし、-Xにのみ通電するとステータ2の帯磁は無くなり、 ステータ1は下の図に様に帯磁します。 ロータのS-N極はステータ1の磁極に引き寄せられて右へ回転し、ステータ1 に向かい合った状態で停止し、保持状態になります。 コイル X -X ↓ ↑ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ S│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 6) コイル-Xと-Yに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータの S-N極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータ の磁極の中間で静止し保持状態になります。 コイル X -X ↓ ↑ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ S│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ N┌─────┐ ││ │ N│ ● │S │←ステータ2 ││ │┌┘S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ N│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↑ ↓ Y -Y コイル 7) コイル-Xの通電をOFFし、-Yにのみ通電するとステータ1の帯磁は無くなり、 ステータ2は下の図に様に帯磁します。 ロータのS-N極はステータ2の磁極に引き寄せられて右へ回転し、ステータ2 に向かい合った状態で停止し、保持状態になります。 コイル X -X │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ │←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ ┌─────┐ ││ │ N│S ● N│S │←ステータ2 ││ │┌┘ └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ │┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↑ ↓ Y -Y コイル 8) コイルXと-Yに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータの S-N極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータ の磁極の中間で静止し保持状態になります。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐S ┌─────┐ ││ │ N│ ● │S │←ステータ2 ││ │┌┘ N└────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ S│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↑ ↓ Y -Y コイル 9) コイル-Yの通電をOFFし、Xにのみ通電するとステータ2の帯磁は無くなり、 ステータ1は下の図に様に帯磁します。 ロータのS-N極はステータ1の磁極に引き寄せられて右へ回転し、ステータ1 に向かい合った状態で停止し、保持状態になります。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S ┌─────┐ ││ │ │ ● │ │←ステータ2 ││ │┌┘ N └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ S│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ Y -Y コイル 10) コイルXとYに通電するとステータ1と2は下の図に様に帯磁し、ロータの S-N極は磁束密度が高い位置に引き寄せられて右へ回転し、２つのステータ の磁極の中間で静止し保持状態になります。 コイル X -X ↑ ↓ │ │ │ │┌┴┐│ ┌─┴┼─┴┼──┐ │┌┬┼─┬┼┐ │ ││└┘ └┘│ N│←ステータ1 ││ └─┘ ││ ┌─┐ S┌─────┐ ││ │ S│ ● │N │←ステータ2 ││ │┌┘S └────┐│ ││ ││ ┌─┐┌┐ ┌┐││ ││ │└─│ S│┼┴─┼┴┘│ ││ └──│ │┼┬─┼┬─┘ │└─────┘ ││└┬┘│ └────────┘│ │ │ │ │ │ ↓ ↑ Y -Y コイル 以上でロータはスタート位置に戻ります。 4.3. ４ステップモータの１−２相駆動タイミングチャート 4ステップで１回転するモータの場合について説明します。 4.3.1. 右回転タイミングチャート 通電前の軸の位置を 1 とします。 XとYのコイルに通電すると、軸は2の位置まで回転します。 以後順にコイルの通電を切り換えることにより軸は右回りで１回転します。 1回転目 2回転目 │←─────────────→│←───────────── 軸位置 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 1 2 ┌─┐ ┌─────┐ ┌── X ───┘ └─────────┘ └─────────┘ ┌─────┐ ┌─────┐ Y ───┘ └─────────┘ └──────── ┌─────┐ ┌─────┐ -X ───────┘ └─────────┘ └──── ┌─────┐ ┌─────┐ -Y ───────────┘ └─────────┘ └ →│─│←1/8回転 │←─────────────→│ １回転 4.3.2. 左回転タイミングチャート 通電前の軸の位置を 1 とします。 XとYのコイルに通電すると、軸は2の位置まで回転します。 以後順にコイルの通電を切り換えることにより軸は右回りで１回転します。 1回転目 2回転目 │←─────────────→│←───────────── 軸位置 1 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 ┌─┐ ┌─────┐ ┌─── X ───┘ └─────────┘ └─────────┘ ┌─────┐ ┌─────┐ Y ───────────┘ └─────────┘ └─ ┌─────┐ ┌─────┐ -X ───────┘ └─────────┘ └───── ┌─────┐ ┌─────┐ -Y ───┘ └─────────┘ └───────── →│─│←1/8回転 │←─────────────→│ １回転 5. マイクロステップ駆動 5.1. マイクロステップ駆動の特徴 １相駆動、２相駆動、１−２相駆動では、各コイルの電流値は同じす。 マイクロステップ駆動では、コイルの電流値を変えることで、隣あったステー タによって生じる磁界の合成磁界のベクトルの向きを変え、ロータのステップ 当りの回転角を小さくすることが出来ます。 5.2. 合成磁界ベクトルの移動 ４ステップモデルモータの1ステップを１／４分割した時の合成磁界ベクトルの回 転を下図で表します。
合成磁界の コイルの電流比
No. 方向 X Y 回転方向
-----+-------------+--------+---------+--------------
(1) 0π 1 0
(2) 1/8π 0.923 0.38 左回り
(3) 2/8π 0.707 0.707 左回り
(4) 3/8π 0.38 0.923 左回り
(5) 4/8π 0 1 左回り
上記では、１ステップ当りの回転角を１相駆動や２相駆動の場合の１／４にす
ることが出来ます。
5.3. ベクトル量の計算
16分割マイクロステップの合成磁界のベクトル量を一定にする為の各コイルの
ベクトル量の比率を求めます。
cはaとbとの合成ベクトル
aとbでなす角をθ
aとcでなす角をη
aはA相コイルによる磁界のベクトル。
bはB相コイルによる磁界のベクトル。
cは合成磁界のベクトル。
θはフルステップ角。
ηはマイクロステップ角。
a=1で計算を進めると便利です。
線分OA=b*cos(θ)+a
線分AC=b*sin(θ)
∴線分OC=c=√((b*cos(θ)+a)^2+(b*sin(θ))^2)
∴η=acos(c/線分OA)
ηがフルステップ角のN/16になるようにbの値を調整します。N=1〜15の整数。
cを1にした場合の縮小比率を、aとbに適用した時の各相コイルによる磁界の
ベクトル量の比率を以下のグラフで示します。
200ステップ/回転のステッピングモータで計算しました。
各相の磁界ベクトル量は各相の平均電流に比例する為、
ベクトル量の比率に応じた変調度のPWM信号で、
各相のコイル電流を制御してマイクロステップを実現します。
エクセル計算シートを参照してください。
6. ステッピングモータの結線チェック方法
6.1. 用意するもの
1) テスター
モータのコイル抵抗を測ります。
2) 乾電池(1.5V)×１
モータの定格電圧以内の直流電源でも可。
3) 接着テープ
モータの回転軸に旗のように貼り付けて、軸の回転を分かり易くします。
6.2. 手順
1) テスターでコイルの抵抗値を測り、
端子1,2,3の組と4,5,6の組に分け、各組のコモンを求めます。
端子1から端子6は、1から6と略します。
1-2間と2-3間、4-5間と5-6間はほぼ同じ抵抗値を示します。
2と5がそれぞれの組のコモンになります。
2) 乾電池の＋を2(コモン)に接続します。
3) 乾電池の−を1に接続したときの、軸の回転方向を見ます。
4) 乾電池の−を3に接続したときの、軸の回転方向を見ます。
5) 3)と4)を数回繰返すと、回転方向が確定します。
6) 乾電池の＋を5(コモン)に接続し、4,6についても同し様に回転方向を求めます。
7) 1と4が同じ回転方向なら、1,4は同相です。
逆方向なら1,6が同相です。
8. 法律条項
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