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ステッピングモータの種類と特徴

ステッピングモータの駆動方式は主に、ユニポーラ方式、バイポーラ方式があります。それぞれの方式についての特徴を簡単にまとめてみます。

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ユニポーラ方式ステッピングモータと駆動イメージ



ユニポーラ方式でステッピングモータを駆動し、制御する場合、最も簡単な方法は、トランジスタ4コとマイコン及び、簡単なロジック回路で駆動できます。この場合、オープンドレインやオープンコレクタ出力になるため、チャージポンプやブートストラップ形式は必要ありません。そのため、現在のように定電流制御用のステッピングモータ駆動ICなど、専用のモータドライバICがなかった時代によく使われた方式です。現在でも、駆動のお手軽さから、まだまだ活躍しているようです。
トランジスタ4コとマイコンだけで駆動する場合は、電圧制御になります。定電流制御するためには、更にコンパレータなど、回路が複雑になります。また、ユニポーラ方式で駆動する場合、モータの逆起などで出力電圧が跳ね上がるため、出力に用いるトランジスタは高耐圧素子が必要となります。また、外付けスナバ回路が必要など、簡単な反面不便も多いようです。一般の書籍では、高速回転時や高速時のトルク、トルク制御に有利だと書かれているのをよく見かけますが、どういう条件で比較しての結果なのかをきちんと調べておきたいです。


＜ユニポーラ駆動の主な特徴＞
例えば、2相ステッピングモータを駆動する場合

１、出力段
4コのパワー素子が必要、例えばバイポーラパワートランジスタ、MOSFETなど、 使用する電源電圧より十分高い耐圧の素子が必要。回路構成上、オープンコレクタ、オープンドレイン出力となるので、モータのL成分により出力がオフした時に逆起などで跳ね上がるため、使用する電源電圧の最低2倍以上の高耐圧素子が必要であり、高耐圧の素子を使う必要があります。さもなければ出力トランジスタが破壊するかも・・・。場合によってはスナバ回路が必要。出力端子オフ時の跳ね上がりを吸収するためには、CやR、ダイオードなど外付けスナバ回路や電圧クランプ用のツェナーを付ける必要があります。

２、駆動回路
出力段素子を駆動するロジック回路が必要、ただし、簡単なロジック回路やマイコンなどで駆動できます。プリドライバは出力パワー素子が十分ON出来る電圧があれが可能です。また、もちろん1chip化されたICも発売されています。

バイポーラ方式ステッピングモータと駆動イメージ

バイポーラ方式でステッピングモータを駆動し制御する場合、相励磁に応じたHブリッジが必要です。また、Hブリッジを構成するためには上下のトランジスタが必要です。上側はNPNトランジスタやNchMOSで駆動することも出来ますし、PNPトランジスタやPchMOSで駆動することもできます。下側はNPNトランジスタやNchMOSで駆動できます。ただし、上側をNPNトランジスタやNchMOSで駆動しようとする場合、チャージポンプ回路やブートストラップ形式が必要になります。また、ブリッジで上下トランジスタを制御するため、同時ONしないような同時ONを防止する制御も必要です。そういう複雑な構成が必要なため、バイポーラ駆動専用の駆動用ICが無かった時代は、バイポーラ駆動方式は制御が複雑で使いにくかったそうですが、最近では専用の駆動IC(ステッピングモータドライバIC)が各半導体メーカから出されており、そういったステッピングドライバICのお陰でバイポーラ方式のステッピングモータが簡単に駆動できるようになっています。
PWM制御や、チョッピング駆動、定電流制御もIC側が制御してくれるので、非常に楽になっています。特に、専用ICを使った場合、各種保護回路がICに内蔵されているので、ディスクリートなど複雑な保護回路を組むより、はるかに手間が省け、かつ、安全にモータが駆動できます。最近では、ユニポーラより、このバイポーラ方式の方が主流になってきているようです。出力段も駆動回路も専用ＩＣを使えば簡単に駆動できます。


＜バイポーラ駆動の主な特徴＞
例えば、2相ステッピングモータを駆動する場合

１、出力段
バイポーラステッピングモータドライバＩＣを使えば、別途トランジスタを用意する必要はありません。ICに内蔵されているからです。また、ユニポーラと違い、モータの電流を双方向に流すため、大きな跳ね上がりなども少なく、スナバなどは必要ありません。ただし、ICによってはショットキーダイオードを付けなれければ正常動作しないモータドライバICもあるので注意が必要です。使うICが安くても、外付け部品が必要になれば意味がないので、その場合、外付けにショットキーが必要ないICを使うのが手っ取り早いのではないでしょうか？。

２、駆動回路
バイポーラステッピングモータドライバＩＣを使えば、駆動回路は必要ありません。ただし、制御信号は入力する必要があります。例えば定電流駆動のモータドライバICの場合は、位相信号と電流切り替え用のDAC切り替え信号を入力する必要があります。これに対し、クロック信号を入力するだけで制御できるICもあるのでお手軽ではないでしょうか？ただし、お手軽さ、制御性を考えて、それぞれのメリット・デメリットを生かして、どちらが便利かを十分検討したいところです。

便利なステッピングモータドライバICを探そう

上記の考察から、便利で使いやすいステッピングモータドライバを考えると、やはり、温度保護、過電流保護、過電圧保護、静電破壊耐量が高いなど、破壊しにくいドライバ、また、発熱が抑えられたステッピングモータドライバICを選びたいところです。

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