科目：
- はじめに
- 永久磁石ステッピングモーター（PMタイプ）
- 可変リラクタンス ステッピング モーター (VR)
- ハイブリッドステッピングモーター
導入：
ステッピングモーターは、名前が示すように、複数の段階で調整できます。 ステップ数は異なる場合があります。 用途に応じて、ステッピング モーターは 4 回転あたり 200 ～ 0,8 ステップで調整でき、これはローター回転 XNUMX° の回転制御に相当します。
ステッピング モーターの回転角度は非常に正確に測定できます。 ステッピングモーターは基本的にXNUMXつです 同期直流電動機 部品と制御方法が非常に似ているため、カーボン ブラシはありませんが、それでも次の特性によってこの DC モーターとは区別されます。
- ステッピング モーターは低速でのトルクが比較的大きいため、停止状態から非常に迅速に始動できます。
- ステッピング モーターの動きはゆっくりですが、非常に正確です。 DCモーターを使用しているため、長時間の高速運転が可能です。
- ステッピングモーターの回転速度と位置は、制御ユニットからの制御信号によって制御されます。 これは、位置センサーや他の形式のフィードバックが必要ないことを意味します。
- ステッピング モーターは、ブラシレス DC モーターに比べて騒音と振動が大きくなります。
ステッピング モーターは、部品に制御された電気的な動きをさせるために、車内のさまざまな場所で使用されています。 以下に、ステッピング モーターが使用される XNUMX つの用途を示します。すなわち、アイドル制御、インストルメント パネルのハンド、および換気制御用のヒーター バルブです。
アイドル制御用ステッピングモーター:
ガソリンエンジンのスロットルバルブは静止時には閉じられています。 エンジンをアイドリングさせるには小さな開口部が必要です。 また、温度と負荷 (たとえば、空調ポンプなどの消費装置のスイッチが入っているとき) が必要な吸入空気量に影響を与えるため、通路も調整可能である必要があります。
最新のエンジンでは、スロットル バルブの位置が正確に制御されます。 また、スロットル バルブが完全に閉じられ、空気がバイパス制御を介してスロットル バルブの周囲に誘導されるシステムも見つかります。 空気循環は、PWM 制御の DC モーターまたはステッピング モーターのいずれかによって実現できます。 についてのページをご覧ください。 スロットル.
下の XNUMX つの画像は、アイドル速度コントローラーとして機能するステッピング モーターです。 バイパスの開口部は、円錐形の端を備えたシャフトによって制御されます。 ステッピング モーターのアーマチュアを回転させると、ウォーム ギアが回転します。
- 反時計回りに回すと、ウォームギアが内側に回転します (バイパスの大きな開口部)。
- 時計回り: ウォームギアが外側に回転します (バイパスの小さな開口部)。
インストルメント・パネル：
インストルメント パネルには、タンク レベル メーター、スピード メーター、タコメーター、エンジン温度を表示するための複数のステッピング モーターが装備されていることがよくあり、以下の例ではタコメーターの下に消費量メーターも装備されています。 BMWのインストルメントパネルを以下に示します。
インストルメントパネルの後部 (内側) には、黒いハウジングを備えた XNUMX つのステッピング モーターがあります。 右側には、ハウジングのない問題のステッピング モーターが表示されます。 ここでは、バイポーラ ステッピング モーターを認識できる XNUMX つのコイルと XNUMX つの接続 (左 XNUMX つ、右 XNUMX つ) がはっきりとわかります。 ステッピングモーターにより、指針の針を小刻みに調整できます。 調整するコマンドは、計器クラスターの ECU から送信されます。
次の図は、ステッピング モーター ドライバーの入力と出力を示しています。 これは、受信した情報をステッピング モーターの出力に変換する計器クラスター内の IC です。
- タンク内の燃料レベル（タンクフロート）。
- 車速 (ギアボックス内のパルス発生器または ABS センサー);
- エンジン速度 (クランクシャフト位置センサー);
- 温度（水温センサー）。
ブロック図では、赤と緑の矢印はステッピング モーターのコイルの接続 (A ～ D) を示しています。
ストーブハウス内のエアガイドバルブ:
多くの場合、電子的に作動する空気抜きバルブにステッピング モーターが使用されています。 ストーブハウス。 下の画像は、気温バルブの写真（左）と取り付け位置の図（右）を示しています。 ステッピング モーターは機構によってバルブを操作します。図の番号 4 はピボット ポイントを示します。 ステッピング モーターが正しく機能しない場合、または交換後に、開始位置と終了位置を ECU で認識する必要があります。 診断装置を使用すると、バルブの停止を学習できるため、ECU はバルブが完全に開いているか閉じているかを認識し、バルブを部分的に開くためにステッピング モーターを駆動する時間を決定することもできます。
永久磁石ステッピングモーター（PMタイプ）：
このタイプのステッピング モーターには、永久磁石を備えたローターが付いています。 このステッピングモーターの利点は、構造が簡単であるため、価格が低いことです。 以下は、このステッピング モーターの動作に関する情報です。
ステッピング モーターのローターは、いくつかの中間ステップで完全に回転できます。 以下の 90 つの画像の例では、回転ごとに 1 つの中間ステップが表示されます。 したがって、ローターは 90 度ごとに停止できます。 左側のステッピング モーターは位置 2 にあり、ローターの N 極が上部、S 極が下部にあります。 ローターを時計回りに XNUMX 度動かすには、端子 C と D のコイルへの電流が遮断され、もう一方のコイルが通電されます。 これは XNUMX 番目のステッピング モーターに見られます。 左側のポールシューが赤 (N 極) に変わり、右側のポールシューが黒 (S 極) に変わります。 これにより、ローターが位置 XNUMX に配置されます。
これは設定 3 と 4 でも同様に機能します。 C と D の間のコイルは位置 3 で通電されますが、電流は位置 1 とは逆方向に流れます。上部の磁極片が N 極になり、下部の磁極片が S 極になります。 ローターは位置 3 になります。 位置 4 では、下部コイルに再度通電され、ローターが位置 4 まで回転します。
90 速ステッピング モーターは XNUMX 度ごとに停止できます。 ステッピングモーターを使用する用途にこれでは不十分な場合は、XNUMX 段階で設定することもできます。 これは同じステッピング モーターで可能ですが、これらの中間ステップでは両方のコイルが同時に通電されます。
以下の図は、これらの中間ステップを示しています。 これらはステップ 5 ～ 8 です。ご覧のとおり、設定 5 はステップ 1 と 2 の間にあります。 ステップ 6 (ステップ 2 と 3 の間) などにも同じことが当てはまります。これらの中間ステップでは、両方のコイルに電流が流れます。
ローターをステップ 5 まで回転させる必要があるとき、下側コイルには A から B へ、上側コイルには C から D へ電流が流れます。 したがって、5 つの北極 (赤いポール シューズ) と XNUMX つの南極 (黒いポール シューズ) が存在します。 ローターは位置 XNUMX になります。
ローターをさらに 45 度 (位置 2 まで) 回転させるには、XNUMX つの位置を持つステッピング モーターの図が再度適用されます。 下部コイルに再度通電すると、A から B に電流が流れるようになります。
次にステッピング モーターをさらに 45 度 (位置 6 まで) 回転させると、両方のコイルが通電されて、上の画像が再び適用されます。
ステッピングモーターは常に制御装置によって制御されています。 制御デバイスのドライバ IC 内のトランジスタは、ポールシューへの電流の供給とポールシューからの電流の放電を行います。 制御ユニットには XNUMX つのトランジスタが含まれています。 これら XNUMX つのトランジスタを正しく制御することにより、ステッピング モーターは XNUMX または XNUMX ステップで完全に回転します。 回転は XNUMX 方向に行うことができます。 左右。 制御装置は、正しいトランジスタが確実に導通するようにします。
画像には、制御デバイスによって制御されるステッピング モーターが表示されます。 トランジスタ 1 と 4 がオンになります。 制御を明確にするために、トランジスタと配線は赤と茶色に色付けされています。 トランジスタ 1 (赤) は端子 A をプラスに接続し、トランジスタ 4 (茶色) は端子 B をグランドに接続します。
トランジスタ 2 と 3 はオンになっていないため、電流は流れません。 この場合、短絡が発生します。
画像ではステッピングモーターをもう少し回転させています。 この目的のために、トランジスタ 6 と 7 も導通させる必要があります。
ステッピング モーターをもう少し回転させるために、トランジスタ 1 と 4 の導通が停止します。トランジスタ 6 と 7 だけがまだ導通しているため、ステッピング モーターは位置 3 になります。
次のステップでは、トランジスタ 2 と 3 をオンにする必要があります。
可変リラクタンス ステッピング モーター (VR):
永久磁石ステッピング モーターと同様、可変リラクタンス ステッピング モーターにはコイル付きのステーター極が含まれています。 これは、ニッケルや鉄などの強磁性金属で作られた歯付きローターを備えた前述のステッピング モーターとは異なります。 これは、ローターが磁性を持たないことを意味します。 このタイプのステッピング モーターは現在ではほとんど使用されません。
一方の側 (A) のステーター コイルは、もう一方の側 (A') のコイルとは逆に巻かれます。 もちろん、B や B' などにも同じことが当てはまります。ロータの歯は、ステータ コイルに通電することによって発生する磁束によって吸引されます。
永久磁石を使用したバージョンと比較した VR ステッピング モーターの利点は次のとおりです。
- 永久磁石がないため、VR ステッピング モーターの製造は環境への悪影響が少なくなります。
- ステータコイルの極性を逆にする必要はありません。 これにより、より簡単な制御が可能になります。
欠点は次のとおりです。
- 低トルク。
- 精度が低い。
- より高い騒音発生。 したがって、自動車などの用途の数は限られています。
- 永久磁石がないため、静止時の保持トルクがありません。
ハイブリッドステッピングモーター:
ハイブリッド ステッピング モーターには、永久磁石を備えた歯付きローターと、ローターとステーターの間に小さなエア ギャップを持つ 3,6 個のコイルを備えた歯付きステーターが備えられています。 ローターは、互いに XNUMX° オフセットされた XNUMX つのギアで構成されます。 ローターの内側には大きな磁石が入っています。 XNUMX つの鋼製ギアが磁石の上に押し付けられています。 磁石の存在により、歯車も磁性を帯びます。 一方のギアは N 極として磁化され、もう一方のギアは S 極として磁化されます。 ローターの各歯が磁極になります。 したがって、「北極ローター」と「南極ローター」について説明します。 ギアのシフトにより、回転中に N 極と S 極が交互に変化します。 各ギアには 50 枚の歯があります。
ステッピング モーター ドライバーがステーター コイルに電流を流すと、そのコイルは磁性を帯びます。 コイルの N 極がローターの S 極を引き付け、ローターが回転します。
下の XNUMX つの画像は、ハイブリッド ステッピング モーターの XNUMX 相 (赤とオレンジ) の制御を示しています。
A. 示されているコイルが磁化されているため、ステッピング モーターのローターは現在の位置まで回転しています (図を参照)。
- 緑色のギアは S 極で、ステーターの N 極に引き付けられます。
- ローターを引っ張った箇所では、ローターとステーターの間の歯が揃います。 わかりやすくするために、これらの点は XNUMX つの状況すべてにおいて黒いマークで示されています。
- 赤いギアは緑のギアの後ろにあります。 歯車は相対的に回転するため、赤い歯が見えます。 ローターの N 極はステーターの S 極に引き付けられます。
B. コントロールのフェーズが変更されました。 オレンジ色のコイルとローターの間の磁場が消えています。 ここで、「赤」相のコイルが制御され、赤コイルとローターの間に磁場が形成されます。
- 磁界をオレンジ色のコイルから赤色のコイルに切り替えると、ローターは時計回りに 1,8°回転します。
- ローターを時計回りではなく反時計回りに回転させるには、赤色の接続を通じて極性 (電流の方向) を反転する必要がありました。 結局のところ、コイルを流れる電流の方向が磁場の方向を決定し、したがって N 極と S 極の「位置」が決まります。
C. 制御装置の位相が再び変更され、ローターは再び時計回りに 1,8°回転しました。
- 状況 A と同じコイルに通電しますが、オレンジ色のワイヤの極性が逆になっています。
- 状況 B に示すように、コイルを制御することでローターを再び反時計回りに回転させることができます。
- ローターを時計回りに回転させるには、赤いコイルにも通電しますが、極性は状況 B と比較して逆になります。
上記の例では、N 極ロータが S 極コイルに引き付けられ、同時に S 極ロータが N 極コイルに引き付けられることがわかります。 これにより、ハイブリッド ステッピング モーターが非常に正確な動作を行い、高いトルクを発揮することが保証されます。
ハイブリッド ステッピング モーターは、より多くの極対とより多くの歯をローターに装備することができ、0,728 回転あたり最大 500° および XNUMX ステップのステップが可能です。
