ステッピングモーター、DCモーター、モータードライバーの紹介について skysmotor.com
モーターはローターを介して固定軸の周りを回転することによって、電気エネルギーを機械的運動に変換する電気装置です。その汎用性により、セキュリティ カメラ、スマート ドア ロック、3D プリンターなどのさまざまな用途に使用できます。エンジニアであろうと一般の愛好家であろうと、モーターの違いは最終的なアプリケーションに影響を与えるだけでなく、モータードライバーの選択にも影響するため、さまざまなモーターの違いを理解することは非常に重要です。この記事では、ステッピング モーターと DC モーターという 2 つの一般的なタイプのモーターとそれぞれのモーター ドライバーを紹介します。また、これらのモーター タイプの類似点と相違点、さらにシームレスな制御と最適化を可能にするステッピング モーター ドライバーと DC モーター ドライバーについても説明します。ステッピング モーターは、電気インパルスを正確な機械的動作に変換します。名前が示すように、ステッピング モーターは段階的に回転し、各ステップは正確な回転角度 (通常は約 1.8°) です。受信した電気パルスの数に基づいて回転数を設定します。各回転は正確な回転角度に従って行われるため、ステッピング モーターは高度に制御可能です。ステッピング モーターの主なコンポーネントは次のとおりです：
1. ローター: シャフトに接続されたローターは、ステッピング モーターの回転部分です。ローターには歯または磁極があり、ステーターと相互作用するときに動きを生み出します。
2. ステータ: ステータはモーターの固定部分です。磁場を生成するコイルがあり、異なるコイル巻線が異なる位相を作成します。
3. 巻線位相: ステッピング モーターはバイポーラまたはユニポーラです。バイポーラステッピング モーターには 2 つの巻線相があり、ユニポーラステッピング モーターには 4 つの巻線相があります。各相は固定子の巻線に関連付けられています。
4. パルスと制御: ステッピングモーターを回転するには、一連の電気パルスを巻線の相に送信する必要があります。これらのパルスの順序とタイミングによって、各ステップの方向と距離が決まります。
図 1 にステッピングモーターの断面図を示します。
図 1: ステッピング モーター
DC モーター: DC モーターは電気エネルギーを機械運動に変換し、電磁誘導に基づいて動作します。このタイプのモーターは、回転部分と固定部分の間に磁界を生成し、その磁界がローターを押し、モーターを回転させます。DC モーターには、ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC (BLDC) モーターの 2 つの主なタイプがあります。図 2 は DC ブラシ モーターを示しており、その主要コンポーネントは次のように紹介されています。
1. ローター: ローター (またはアーマチュア) は、鉄心に巻かれたコイルです。ステッピング モーターのローターと同様、ステーターに接続される DC ブラシ モーターの回転部品です。
2. ステータ: ステータは、1 つ (または複数) の永久磁石または電磁石で構成される固定コンポーネントです。ステーターによって生成された磁場はローターの磁場と相互作用し、トルクを生成してローターを回転させます。
3.换向器：换向器是安装在转子轴上的环，它与转子上的绕组电性连接。换向器可以反转转子绕组中的电流方向，并驱动电机。
3. 整流子: 整流子はローターシャフトに取り付けられたリングで、ローターの巻線に電気的に接続されています。整流子はローター巻線の電流の方向を反転させ、モーターを駆動します。
4. ブラシ: ブラシはカーボンまたはグラファイトで作られた固定モジュールで、整流子に動的に接触するために使用されます。電流を流し、モーターを動かします。
図 2: DC ブラシ付きモーター
図 3 に BLDC モーターを示します。BLDC モーターにはブラシがないため、磨耗が少なく、信頼性と耐久性が向上します。BLDC モーターには、複数のコイルを備えたステーターと、永久磁石または電磁石を備えたローターがあります。電子整流を採用し、コントローラーを使用して固定子巻線の電流を制御します。
図 3: BLDC モーター
DC モーターの場合、印加された電流によってトルクが発生し、コンピューターのハードドライバー、玩具、太陽光エネルギー追跡システムなどの用途に使用するのをお勧めします。
ステッピングモーターとDCモーターの比較
ステッピングモーター、ブラシ付き DC モーター、および BLDC モーターは、さまざまなタイプのモーターで、それぞれ長所と短所があり、さまざまな用途に適用します。以下では、いくつかの主な違いについて説明します。
操作/制御能力
ステッピング モーターは、開ループ システムで動作できます。つまり、モーターの正確な位置は、モーターに送信される正確なステップ数またはパルス数によって決まります。ステッピング モーターは、簡単に定量化できるステップで動作するため、位置制御は必要ありません。ただし、モーターの速度と方向を調整するには、マイクロコントローラー (MCU) などの外部デバイスが必要です。
ブラシ付き DC モーターは、カーボン ブラシを介してローターに接続された DC 電源によって電力を供給されます。単純なブラシ付き DC モーターは開ループ システムで制御できますが、より高度なモーターにはフィードバック メカニズムが必要になる場合があります。通常、これらのモーターは外部コントローラーを必要とせずに簡単に調整できます。たとえば、モーターへの電圧を調整すると、モーターの速度が変わります。
BLDC モーターは閉ループ システムで動作する必要があります。閉ループ システムはより正確ですが、スムーズに動作するには追加の制御回路が必要です。
耐用年数
ステッピング モーターはシンプルであるため、信頼性が高くなります。その耐用年数は最大 4 ～ 5 年、または約 10,000 時間です。
DC モーターも比較的信頼性が高くなりますが、ブラシ付き DC モーターはブラシの故障を防ぐために定期的なメンテナンスが必要です。通常、数千時間の稼働後にメンテナンスが必要になります。
ブラシレス DC モーターは、ブラシによる機械的摩耗がないため、ブラシ付き DC モーターよりも寿命が長く、10,000 時間以上稼働できます。
効率と騒音
ステッピング モーターは熱放散によってエネルギーを失うため、効率が低下する傾向があります。また、ステッピング モーターは常に最大電流で動作するため、大量のエネルギーを必要とします。DC モーターの方が効率が高く、ブラシレス DC モーターはブラシの摩擦によるエネルギーの損失が少ないため最も効率的です。
ステッピングモーターは騒音に関しては最悪です。モーターはステッピングの動作で、連続速度で回転すると、ヒューヒューという音やラチェット音を発生します。ブラシ付き DC モーターは騒音が少ないですが、ブラシが整流子の上を通過するときに騒音が発生します。ご想像のとおり、BLDC モーターは騒音が最も少ないです。
まとめ
ステッピングモーター
利点
• 高精度
• 高い正確性
• 制御が簡単
• 長寿命 (10,000 時間)
欠点
• 効率が低い
• 外部制御（マイクロコントローラー）が必要
• 大きな騒音
応用
• 3Dプリンタ
• 望遠鏡
• ディスクドライバー
• ロボット
DCブラシ付きモーター
利点
• 中程度の効率
• 応答時間の短縮
• 過負荷状態を検出できる
欠点
• 寿命が短い；信頼性を確保するにはメンテナンスが必要です。
• 複雑な制御
応用
• 電動工具/電気器具
• 車 (フロントガラスのワイパーなど)
• おもちゃ
• ファン
利点
• 効率的
• メンテナンスはほとんど必要ありません
• 静かな
• 非常に長い耐用年数 (10,000 時間以上)
欠点
• 複雑な制御
• 極端な温度の影響を受けやすい
応用
• 電気自動車
• 家庭用器具
• 医療機器（輸液ポンプ、イメージャなど）
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