マイクロステッピングは実際どのくらい正確ですか?

ステッピング モーターは、1 回転を何百もの個別のステップに分割するため、自動車、ロボット、3D プリンター、CNC マシンなどの動きを正確に制御するのに最適です。 DIY プロジェクト、3D プリンター、小型 CNC マシンで使用されるほとんどのステッピング モーターは、1 回転あたり 200 ステップ、または高解像度バージョンでは 400 ステップのバイポーラ 2 相ハイブリッド ステッピング モーターです。 これにより、ステップ角はそれぞれ 1.8 °、0.9 ° になります。

ある意味、ステップは動きのピクセルであり、多くの場合、所定の物理解像度では十分ではありません。 フルステップ モード (ウェーブ ドライブ) でステッピング モーターのコイルをハード スイッチングすると、モーターが 1 つのステップ位置から次のステップ位置にジャンプし、オーバーシュート、トルク リップル、および振動が発生します。 また、より正確な位置決めを行うためにステッピング モーターの分解能を高めたいと考えています。 最新のステッピング モーター ドライバーは、ステッピング モーターのすべてのフル ステップに任意の数のマイクロステップを押し込む駆動技術であるマイクロステッピングを備えており、これにより振動が大幅に低減され、(おそらく) ステッピング モーターの分解能と精度が向上します。

一方では、マイクロステップは実際には、負荷がかかっている場合でもステッピング モーターが物理的に実行できるステップです。 一方、通常、ステッピング モーターの位置決め精度は向上しません。 マイクロステッピングは必ず混乱を引き起こします。 この記事では、この点を少し明確にすることに専念しています。また、これはドライバーに大きく依存する問題であるため、一般的に使用されている A4988、DRV8825、および TB6560AHQ モーター ドライバーのマイクロステッピング機能も比較します。

ハイブリッド ステッピング モーターでは、マイクロステッピング対応モーター ドライバーがステーター コイルの電流を調整して、永久磁石ローターを後続の 2 つのフル ステップ間の中間位置に配置します。 フルステップは複数のマイクロステップに分割され、各マイクロステップは 2 つのコイル電流によって実現されます。

古い産業用モーター ドライバーの多くは 4 マイクロステップ (クォーター ステップ モード) しか備えていませんが、現在ではフルステップあたり 16、32、さらには 256 マイクロステップが一般的です。 以前は 1 回転あたり 200 ステップのステッピング モーターがあったとすると、今では 1 回転あたり 51,200 ステップという奇跡が起こります。 理論的には。

実際には、依然として開ループ ドライバーを扱っています。これは、モーター ドライバーがモーター シャフトの正確な角度位置を認識しておらず、偏差を補正できないことを意味します。 摩擦、モーター自体のディテントトルク、そして最も顕著なことに、ローターに作用する外部負荷はドライバーには気付かれません。 エンコーダとより高度な特別なドライバを介してループを閉じない限り、モーターが目標位置の± 2 フルステップ (はい、それはひどい) のどこかにあると想定できます。これは、ローターの前の最大たわみです。間違ったフルステップ位置にスナップすると、ステップロスが発生します。

あるマイクロステップから別のマイクロステップへの増分トルクは、容赦のない三角法によって支配され、モーターの動的トルクのほんの一部にすぎません。 モーター シャフトが実際に +/- 1 マイクロステップ以内に設定されるようにするには、それに応じて負荷も減らす必要があります。 この小さな増分トルクを超えてもステップ損失は発生しませんが、最大 ± 2 フルステップの同じ絶対位置誤差が発生します。 以下の表は、壊滅的な関係を示しています。

出典: ステッピング モーターのテクニカル ノート: Micromo によるマイクロステッピングの神話と現実

良いニュースは、十分に強力なモータードライバーを使用している限り、外部負荷によるものであろうとモーターの内部慣性によるものであろうと、その増分トルクを超えない限り、マイクロステップの位置決め精度を達成するための理論上の唯一の制限は次のとおりであるということです。モーターの内部摩擦とディテントトルク。 これらの値はモーターのタイプに大きく依存しますが、一般的にはかなり低い (ほとんど無視できる) 値です。 たとえば、次のテストで使用されるモーターのディテント トルクは 200 g cm と指定されています。 これは 4000 g cm の保持トルクのわずか 5% にすぎません。 上の表によると、このモーターはフルステップ ドライバーあたり 16 マイクロステップで正確な位置決めができる必要があります。