サーボモータとステッピングモーター

質問

いつもお世話になっています。
大学で3Dの研究をしているものです。
以前秋葉原でのモーター購入を検討していたのですが、やはりそれでは
性能不足であると考え、業者から購入することになりました。
そこでステッピングモーターかサーボモーターどちらで設計を実現するのか？
ということを考えているところです。
教授に説明するのにまずどのような点が違うのか？というのを明確にしなければならないと思い、勉強して、説明をしました。
私自身はモーターの特徴としてステッピングモーターは1パルスに対応したステップ角分回転するのがステッピングモーター(モーターの型でステップ角は決まっている)、そこにエンコーダーがつき、フィードバックにより脱調を防いだり、より正確な位置精度やPWMによって角度分解能が細かく決められるのがサーボモーターという認識でした。
しかしその説明は特徴を説明しているだけで、アクセルを踏めば車が走るって言っているのと同じだよと言われてしまいました。
どのような構造の違いがあるのか説明しろといわれたのですが
ステッピングモーターにもサーボモーターにも様々な種類があり
単純に構造を比較できるものではないのでは？と思うのですが
両者を使い分ける基準とその基準をもたらす構造的な違いとは
何なのでしょうか？
ご意見いただければ幸いです。

回答No.2

noname#230359 · ベストアンサー

>両者を使い分ける基準とその基準をもたらす構造的な違いとは
>何なのでしょうか？
ステッピングモーターを使用する時は、「脱調する」事を基本として各動作の要所要所に其処の位置までの動作が完了した事を確認する為のセンサーを用いるのが基本です。(脱調しないのであれば、ある程度連続した位置制御も可能ですが、多くの場合、市販の位置決めコントローラーはサーボモーター用に作られている事が多いので、位置確認用センサーを用いずに連続した位置制御を行う為には位置決め制御を全て自前で作らなければならない場合が多いです。 )
サーボモーターはエンコーダーが付いているので、センサーで位置を確認せずとも、連続した位置制御が可能になります。ただし、電源を切ってもエンコーダーが位置を覚えているか、覚えていないかによって、電源を切ったらエンコーダーの位置を覚えているタイプでは、システムを立ち上げる際に一回、原点復帰を行えば、その後装置電源を切っても「エンコーダーの位置を覚えている」限り、センサーによる原点復帰は不要です。
電源を切るとエンコーダーの位置を忘れてしまうタイプのサーボモーターでは、装置の電源を入れなおす都度センサーによる原点復帰が必要になります。
また、インバーターモーターにエンコーダーを仕込んで、インバーターでベクトル制御させているタイプの物も、基本的にはサーボモーターと呼べます。

ステッピングモーターは位置確認用のセンサーを使用して位置制御をする小型のシステムに適しています。
サーボモーターは連続した位置決め制御が必要な小型から中型のシステムに適しています。
インバーターでベクトル制御させているタイプの物は連続した位置決め制御を行う大型のシステムに適しています。
位置確認用のセンサーを使用して位置制御をする大型のシステムには、インバーターモーターと位置確認用のセンサーの組み合わせが制御しやすいでしょう(インバーターを用いずに普通のインダクションモーターでは停止精度が悪いので、位置制御が難しいです。)。

>サーボモーターはステッピングモータにエンコーダがついたものという認識でしたので、>回転する機構は基本的に同じと考えられるのでしょうか？

とっても広い意味では、ステッピングモーターにエンコーダーをつけて、クローズドループの制御を行えは、サーボモーターと言えなくはありませんが、通常に市販されているサーボモーターとステッピングモーターでは完全に違うモーターです。
夫々のモーターを分解してもらえばわかりますが、極端に言えばサーボモーターはエンコーダーが付いている以外、モーター部分は普通のモーターです。 ステッピングモーターはモーターが1ステップ毎に止まれるように磁石側が細かい歯車の様になっているのがわかります。 この歯車上の部分が一山毎に磁極が入れ替わるようになっています。それに対して、コイル側に回転方向とスピードにあうように、少しずつ位相をずらしたパルス状になる様な電圧を各相にかけて、回転させます。
それゆえにパルスモーターが停止しているときにモーター軸を触って回転させようとしても、回転しません。通電しない状態でモーター軸を回してみると細かくカクカクしながら回転する事が判ります。それに対して、サーボモーターは極端な言い方をすれば普通のモーターなので、位置決めで停止している時にモーターの軸が回る方向に力をかけると、少し力をかけた方向に回すことが出来、直ぐに逆方向に戻ろうと言う回転をします。(位置決め停止した位置からずれると、位置決め停止位置に戻るように、制御されている為)

>設計が最大回転数900rpm 最大分解能2048pulse/r 回転させるものしては
>直径16～18cmのアクリル板　厚さはおそらく1cm以下になると思われます。
>高速プロジェクタからのTTL信号に同期するような設計を考えております。
>以上のような設計になっていまして高分解能が必要なのではないかと思います。

プロジェクターと、どの様に同期させてどの様な制御をするのかは不明ですが、モーターさえ選べば、サーボモーターでもステッピングモーターでもどちらでも実現できるとはおもいます。 モーターさえ選べばと言っているのは、 回転数と分解能だけではなく、 停止トルクや加速特性その他もろもろを選定すると言う意味です。回転体を急停止させるような制御が入った時、回転による慣性に対して停止させるのにどれだけの力が必要か等、要検討です。

国内のモーターメーカーでステッピングモーターとサーボモーターを両方作って市販しているメーカーさんがあります。其処の営業の方に聞いてみれば最適なものを選定してくれますよ(おそらくですが…)

お礼

ご回答ありがとうございます。
ということはステッピングモーターに位置確認用センサをつければ連続した位置制御(回転)をおこなうことはできるのですか？
エンコーダにも二種類あることは知っていたのですが、そのような使い分けがあるのですね。
ステッピングモーターは構造的に励磁コイルに入力パルスに同期した
電流を流すことでステップ角分回転すると思うのですが、この機構ですと
連続した制御のときに脱調しやすいのでしょうか？
サーボモーターはステッピングモータにエンコーダがついたものという認識でしたので、回転する機構は基本的に同じと考えられるのでしょうか？
No1様の解答にも補足として記載させていただきましたが設計が
最大回転数900rpm 最大分解能2048pulse/r 回転させるものしては
直径16～18cmのアクリル板　厚さはおそらく1cm以下になると思われます。
高速プロジェクタからのTTL信号に同期するような設計を考えております。
以上のような設計になっていまして高分解能が必要なのではないかと思います。
s-isobe様はモーターに精通している方とお見受けしましたので
この設計に見合ったモーターの選び方に関してアドバイスいただければと
思います。
お忙しいでしょうがお願いいたします。

サーボとステッピングの違いが当初よりずいぶんと理解できるようになりました(納得させるように説明できるかどうかは別ですが...)
回転させるものの慣性などをまず明確にして、業者のほうに相談してみようと思います。丁寧なご回答ありがとうございました。

回答No.6

noname#230359

回答(5)さんに賛同します。

ステッピングモータとサーボモータの差を尋ねるのではなく、システムの
要求条件をきちんと示した上で、どのような駆動系（含むモータ）を選定
したらよいかアドバイスを貰うように、別のスレッドを立てることが、
良さそうに思います。

「新しい質問」を勝手に想像して書いてみます。
勝手に想像しましたから、実際にお問い合わせになりたい内容とは差異が
あろうかと思います。余計なお世話かもしれませんが、参考にして頂けれ
ば幸いです。

題名：光チョッパーの駆動系設計について

質問：大学で3Dの研究をしているものです。
高速プロジェクタから投射される光を、回転円板によってチョッピングす
る実験装置を設計しています。設計に当たって、円板を回転させる駆動系
のモータとドライバについて、どのようなものを選定すればよいか、アド
バイスを頂ければ幸いです。

駆動系に対する要求事項は次の通りです。
　・回転円板の直径　：160～180mm程度
　・回転円板の厚さ　：10mm以下
　・回転円板の材質　：アクリル
　・回転速度制御範囲：60～900rpm
　・位相設定の分解能：１°
　・位相ずれの許容範囲：±1°
　・静定時間　　　　：1s以下（±2°の位相ずれに収束するまでの時間）
　・回転円板の取付　：モータ軸端に固定　
なお、高速プロジェクタとモータとを制御する上位の制御系からは、モータ
1回転あたり2048pulseのパルス列を出力できるので、できればこの信号によ
って回転を制御することを希望します。

回答を書き込んだあと、
ちょっと、余計なお世話が過ぎたかなと、自問自答していました。
ポジティブに受け止めて頂き、有難く思います。

おそらくは、駆動系に対する要求事項を、実験装置を通じて固めていく
ような状況と思います。

要求事項を記述する際に、不明な仕様は判らないと、明記した方がいいと
思います、条件を緩めることができれば、安価な・作りやすい・納期が短い
「解」が出てくる可能性が広がります。

私が示した例に縛られないで、自由に書きたいことをお書き下さい。

お礼

ご回答ありがとうございます。

二つのモーターの差ではなく、モーター選定に必要なパラメーターについて
しっかりと検討してからまた新たなスレッドを建てようとおもいます。
このような無知な大学生にわざわざ細かくアドバイスいただきありがとうございます。
今後自分では分からなくなったときの参考にさせていただきたいと思います。

回答No.5

noname#230359

何かちがう気がします。

３Ｄシャッターを回転でやろうとしてるなら
必要なのはシャッター精度と回転の正確性であって分解能って必要ですか？
自分だったらＰＬＬと適応フィルタを組んで
シャッターレートがフレーム同期になるようにしますけど。

そういう意味では回転角情報の得られるサーボモーターの方が使いやすい。

ohkawaさん提案上手だなあ。見習わなければ。
大学生さん相手にちょっと紋きり型過ぎたと反省。

お礼

ご回答ありがとうございます。
細かく開口をシフトさせるような設計でして、そのために高分解能が必要だと考えていました....
何か基本的な知識不足ですかね。

いえいえとんでもないです。
まだまだ無知ですし、質問の仕方にも問題がたくさんあると思うので
tigers様のように指摘していただけるかたがいるとありがたいです。

回答No.4

noname#230359

イメージ的に
ステップはデジタル
サーボはアナログ（デジタルを無理やりアナログとして使ってる）

どっちかっていうとステップのほうが
パワーあると思う

サーボは軟弱

まあ、アルファステップが凶悪なんだけど

お礼

ご回答ありがとうございます。
構造的にステップのほうがパワーはありそうな感じですね。
オリエンタルモーターの方と連絡をとっているのでαステップの購入も
検討してみようと思います。

回答No.3

noname#230359

ステッピング
1パルスで1ステップ駆動　出したパルスだけ回るけど、脱調しない前提でオープンループ制御。
出したパルス移動している前提で、本当にそこにいるかは神のみぞ知る。
停止中、ステップ角度で停止しているからビビらない。
主に小型用。

サーボモーター
移動距離（回転数）をエンコーダーでセンシングしている、クローズドループ制御
位置情報がわかる。
停止中微妙に前後している。
時定数のパラメーターでかなり回避は可能。

サイズが大きくなればステッピングでは無理。

参考URL：

http://www.softech.co.jp/mm_060201_plc.htm

お礼

ご回答ありがとうございます。
回転させるものが少し大きいのでやはりステッピングモーターでは
厳しいとかなと思いました。

回答No.1

noname#230359

>両者を使い分ける基準とその基準をもたらす構造的な違いとは何なのでしょうか？
↓に答えが書いてある
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/teruyo/vol13.html
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/teruyo/vol34.html
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/teruyo/vol31.html
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/teruyo/vol21.html
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/teruyo/vol7.html

ただ、↑に書いてある事はサーボとステッピングとほぼ同容量の場合で
どちらでもそれなりに使える場合に限る
つまりどちらかと言えばコッチが有利と言う程度の違いしかない
概ね１００Ｗ以下
それ以上になるとサーボモータしか選択肢はない
（１００Ｗ以上のステッピングモータは無い、有るかも知れないが特殊）

http://wwwf2.mitsubishielectric.co.jp/melfansweb/servo/lineup/mr_j3/motorspec_hf-mp.html
最高回転数も高分解能もサーボモータの勝ち　（↑の製品は３０００ｒｐｍ２６万パルス）

>最大回転数900rpm 最大分解能2048pulse/r 回転させるものしては
>直径16～18cmのアクリル板　厚さはおそらく1cm以下になると思われます。
負荷イナーシャから推定すればステッピングモータでも可能
但し、問題は９００ｒｐｍ、２０４８ｐｌｓ
http://www.orientalmotor.co.jp/hppwc/HMD0201.do?gid=AR911BS-3&sflg=1&lng=ja&uc=&wid=ja001003001010001003
ステッピングモータで高回転廻そうとすると困難
カタログデータには４０００ｒｐｍまで記載してあるがトルクが激減する
実用的には概ね半分になる１０００ｒｐｍくらい
本件は９００ｒｐｍなので出来そうではあるが
それ以上まで上げる可能性が有るか無いか？
概算では９００ｒｐｍを超える事はなかったのだが
詳細に計算し直したら１０００ｒｐｍを遥かに超えたとか？
よくある話　＜概算では効率や損失とかを計算しない

分解能２０４８についてはドライバのパラメータ変更で可能

後は負荷イナーシャ
http://home.catv.ne.jp/hh/toku/jdsgn/inertia/inertia.htm
http://www.acry-ya.com/acry-ya_new/html/tokucyo/htm/tokucyo.htm
から比重は１．１９
１８＊π＊１＊１．１９＝６７ｇ

テーブルイナーシャ
JK = (WT * (DT/10)^2)/8
= 2.714 [kg･cm2]

加速時間0.05s
加速トルク
TMd = -{((JL + JM)*N0)/(9.55*10000*Tsd)} + TL
TMd_Max = 0.6 [N･m] (最大値)

上記条件で三菱電機サーボ自動選定ソフトで実行してみました
結果的には三菱電機サーボで５０Ｗ相当（減速機１／３付き）

上記からステッピングモータで相当するのを探す
http://www.orientalmotor.co.jp/hppwc/HMD0201.do?gid=AR911BS-1&sflg=1&lng=ja&uc=&wid=ja001003001010001003
もう１枠下でもトルクだけからすれば駆動可能であろうが
一応、カタログにはイナーシャ比３０倍以下とあるので可能とは思うが
経験的にイナーシャ比は５～６倍に抑えた方が制御は楽になる

オリエンタルモータの選定ページ
http://www.orientalmotor.co.jp/knowledge/technical/index.html
ここに選定手順が記載してあります

結果的に本件ではサーボ、ステッピングどちらでも可能でしょう

>そこをモーターの原理に基づいていえなければ納得してもらえないようなので......　
問題はモータの作動原理ではなくて要求仕様を満足するモータが有るか無いかです
ステッピングモータでなくとも超音波モータ、ＤＣブラシレスモータとかもあるし
ただ本件に使えるような大型の超音波モータは市販されていない

一定速回転させるだけならＤＣブラシレスモータでも可能
（位置決めさせる必要があるのか？）
憶測ですがミラースキャンタイプのバーコードリーダと同じ事をさせようとしてるのでは？
http://www.ainix.co.jp/howto_autoid/equipments/553.html
回転速度さえ一定ならスキャン座標を読み取るのにモータの位置座標を検出しなくとも可能
バーコードリーダはそんなに位置分解能を必要としてないかも知れませんが

お礼

ご回答ありがとうございます。
まだまだ勉強せねばならないことがたくさんあると痛感しました。
設計を正確に記載していなかったので補足いたしますと
最大回転数900rpm 最大分解能2048pulse/r 回転させるものしては
直径16～18cmのアクリル板　厚さはおそらく1cm以下になると思われます。
高速プロジェクタからのTTL信号に同期するような設計を考えております。
この設計に見合ったモーターを見極める際に、決め手となる構造上の違いを
うまく説明できるように勉強しようとおもいますので、もしなにかご意見ございましたらよろしくお願いします。
私としてはサーボモーターでなければ実現できないように思えるのですが
そこをモーターの原理に基づいていえなければ納得してもらえないようなので......　

細かいところまでお答えいただき本当に感謝します。
モーター選定に必要なパラメーターなど大分理解が深まりました。
肝心の教授を説得するところは、とりあえずまずは同期させるためのモーター買え！で一蹴されてしまいましたが.....
今後設計を実現するために重要な知識だと思いますので、参考にさせていただきます。