ステッピングモーターの共振問題を回避するための戦略

アプリケーションで信頼性が高く、操作が簡単な低コストのモーターが必要な場合、ステッピング モーターに勝るものはありません。 ただし、ステッピング モーターを普及させた単純な設計と駆動方法は、特定の条件下では共振の問題を引き起こす可能性があります。

アプリケーションで信頼性が高く、操作が簡単な低コストのモーターが必要な場合、ステッピング モーターに勝るものはありません。 ローター位置フィードバック用のエンコーダーやホール センサーを必要とせずに段階的に駆動できます。ただし、ステッピング モーターを普及させた単純な設計と駆動方法は、特定の条件下では共振の問題を引き起こす可能性があります。 この記事では、共振の問題を回避し、問題のない動作を確保するためのさまざまな方法を検討します。

ステッピング モーターの位相は、外部の電子ドライバーによって順次整流され、その後ローター (多くの場合永久磁石が搭載されている) をある安定位置から次の安定位置に移動させます。 適切なモーターは、各整流後にローターと負荷を次のステップに移動させるのに十分なトルクを提供します。 トルクが十分でない場合、または速度が高すぎる場合、ドライバーと実際のローター位置の同期が失われる可能性があります。

各ステップで、ローターはその極をステーターの極と揃える傾向があります。 1 つの相が次の相に切り替わることなく継続的に通電されている限り、ローターは安定した位置を保持します。

固有振動数を避ける共振は通常、転流周波数が機械システムの固有振動周波数に近い場合に発生します。 したがって、共振の発生を防ぐ最も基本的な方法は、転流周波数をシステムの固有周波数から遠ざけることです。 異なる整流周波数で動作すると、同じ速度を維持するためにアプリケーションで他の変更が必要になる場合がありますが、そのような変更が常に可能であるとは限りません。固有振動数をシフトする整流周波数を変更する代わりに、制約や課題に基づいて固有周波数を高くまたは低くシフトして、整流周波数が一致しないようにすることができます。 これは、固有振動数に影響を与える 2 つの要素、つまりシステム内の保持トルクと総慣性を考慮することで実現できます。

マイクロステッピングによる共振の防止機械システムに導入されるエネルギーが高くなるほど、共振現象を引き起こすリスクが高くなります。 これを防ぐには、フルステップでステッピング モーターを駆動する代わりにマイクロステッピングを使用するのが良いでしょう。 各マイクロステップのステップ角度は小さくなり、ある安定した位置から次の安定した位置に移動するために必要なエネルギーが少なくなります。 ターゲット位置のオーバーシュートは振動の大きさとともに小さくなるため、多くの場合、マイクロステッピングは共振を回避する効果的な方法です。 さらに、マイクロステップは一般に、騒音、振動が少なく、よりスムーズな動作を実現します。摩擦による減衰摩擦は、瞬間的な回転方向とは反対の制動トルクを提供します。 このトルクはモーターの速度に関係なく一定です。 振動を減衰させて共振を防ぐのに役立ちますが、摩擦はどの速度でもモーターにかかる負荷も増加することに注意してください。 したがって、共振を防ぐために摩擦を加える場合には、モーターが十分な性能を発揮することが重要です。 粘性摩擦も制動トルクを提供しますが、その大きさはモーターの速度によって異なります。 速度が高くなるほど、粘性減衰は強くなります。 このため、粘性減衰は、速度と振動振幅が大きい間は最初に強い制動を提供しますが、振動が小さくなると非常に軽い制動のみになります。これは、非常に低速でも同じ制動の大きさを提供する乾式摩擦とは異なります。 そのため、モーターに過度の負荷を加えることなく、非常に短時間で振動を減衰するには粘性摩擦が望ましいものになります。 さまざまな現象がシステムに粘性摩擦をもたらす可能性があります。

ステッピング モーターは簡単でコスト効率の高い位置決めを実現しますが、ステップバイステップの連続動作により、特定の条件下では共振の問題が発生する可能性があります。 共鳴は、単一の原因に対処することで解決できる場合があります。 ただし、モーターの技術や設計によっては、固有振動周波数とは別に、共振を引き起こす可能性のある中周波共振などの追加の周波数範囲が存在する場合があります。 モータープロバイダーは、共振を引き起こす可能性のある周波数範囲の特定を支援し、問題の発生を防ぐソリューションを提供します。 Portescap ステッピング モーターの詳細については、製品ページをご覧ください。

Daniel Muller は、Portescap のアプリケーション エンジニアです。

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