ステッピングモータは、パルス信号によって一定角度ずつ回転するため、位置決め制御に広く使われています。しかし、通常のステッピングモータは指令通りに動いたことを直接確認できないため、負荷が大きい場合や高速運転時には脱調による位置ずれが発生することがあります。そこで利用されるのがエンコーダです。エンコーダを組み合わせることで、モータの実際の回転位置や速度を検出でき、より安定した制御が可能になります。本稿では、ステッピングモータエンコーダの基本と使い方について説明します。
1. ステッピングモータエンコーダとは
ステッピングモータエンコーダとは、ステッピングモータの回転角度、回転方向、回転速度などを検出するためのセンサーです。モータ軸や負荷側に取り付けられ、実際にどれだけ回転したかを電気信号として出力します。
通常のステッピングモータは、入力されたパルス数によって位置を推定します。しかし、外部負荷や急加速によってモータが指令に追従できない場合、実際の位置と指令位置にずれが生じます。エンコーダを使用すると、このずれを検出できるため、制御の信頼性を高めることができます。
「写真の由来：2000 CPR インクリメンタルロータリーエンコーダ ABZ 3チャンネル 8mm 中空シャフト IHC3808」
「写真の由来：2000 CPR インクリメンタルロータリーエンコーダ ABZ 3チャンネル 8mm 中空シャフト IHC3808」
2. エンコーダを使う目的
エンコーダを使う主な目的は、位置ずれや脱調を検出することです。ステッピングモータはオープンループ制御でも動作できますが、負荷変動が大きい装置では、指令通りに動いているかを確認する必要があります。
エンコーダを取り付けることで、制御装置はモータの実位置を把握できます。これにより、位置補正、異常停止、原点復帰、速度監視などが可能になります。特に、搬送装置、医療機器、検査装置、ロボット機構など、高い安全性と精度が求められる用途で有効です。
3. インクリメンタルエンコーダの基本
ステッピングモータに多く使われるのが、インクリメンタルエンコーダです。このタイプは、回転に応じてA相、B相などのパルス信号を出力します。A相とB相の位相差を見ることで、回転方向を判別できます。
インクリメンタルエンコーダは構造が比較的シンプルで、速度検出や相対位置の管理に適しています。ただし、電源を切ると現在位置の情報が失われるため、起動時には原点復帰を行う必要があります。一般的な装置では、原点センサーと組み合わせて使用されることが多いです。
4. アブソリュートエンコーダの基本
アブソリュートエンコーダは、回転位置を絶対値として出力するエンコーダです。電源を入れ直しても現在位置を認識できるため、原点復帰の手間を減らすことができます。
この方式は、高精度な位置管理が必要な装置や、停止後すぐに正確な位置情報を取得したい用途に適しています。ただし、インクリメンタルエンコーダに比べて構造や信号処理が複雑になり、コストが高くなる傾向があります。そのため、用途や必要精度に応じて選定することが重要です。
5. エンコーダ信号の読み取り方
エンコーダから出力される信号は、コントローラー、PLC、モータドライバーなどで読み取ります。インクリメンタルエンコーダでは、A相とB相のパルス数を数えることで回転量を計算します。
たとえば、1回転あたり1000パルスのエンコーダであれば、1パルスごとの角度を計算して位置を把握できます。また、一定時間内のパルス数を測定すれば、回転速度も求められます。読み取り精度を高めるためには、ノイズ対策、適切な配線、シールドケーブルの使用が重要です。
6. ステッピングモータとの接続方法
エンコーダ付きステッピングモータを使う場合、モータ線とは別にエンコーダ信号線を接続します。一般的には、電源線、GND、A相、B相、Z相などの信号線があります。
Z相は1回転に1回出力される基準信号で、原点確認や回転位置の基準合わせに使われます。接続時には、エンコーダの電源電圧、出力方式、信号論理を確認する必要があります。NPN、PNP、ラインドライバ出力など、コントローラー側の入力仕様と合っていないと正常に読み取れません。
7. クローズドループ制御への応用
エンコーダを使うことで、ステッピングモータをクローズドループ制御に近い形で運転できます。クローズドループ制御では、指令位置と実際の位置を比較し、ずれがあれば補正を行います。
これにより、脱調の検出やトルク不足の補正が可能になります。従来のオープンループ制御よりも安定性が高く、サーボモータに近い使い方ができます。ただし、制御設定が不適切だと振動や応答遅れが発生するため、ゲイン調整や負荷条件の確認が必要です。
8. 原点復帰での使い方
ステッピングモータエンコーダは、原点復帰動作にも活用されます。装置の起動時に原点センサーとエンコーダ信号を組み合わせることで、基準位置を正確に決定できます。
特にZ相信号を利用すると、1回転内の基準位置をより正確に検出できます。これにより、装置の繰り返し位置決め精度を高めることができます。原点復帰では、速度を低めに設定し、センサー検出後にゆっくり位置合わせを行うことが重要です。
9. エンコーダ使用時の注意点
エンコーダを使用する際には、信号ノイズに注意する必要があります。モータの駆動電流や周辺機器からの電磁ノイズによって、パルス信号が乱れると、位置検出に誤差が生じます。
対策として、エンコーダ線にはシールドケーブルを使用し、モータ動力線とは離して配線します。また、接地処理を適切に行い、必要に応じてラインドライバ出力のエンコーダを選ぶと安定性が向上します。さらに、分解能が高すぎるエンコーダを選ぶと制御側の処理負荷が増えるため、用途に合った分解能を選定することも大切です。
まとめ
ステッピングモータエンコーダは、モータの実際の位置、速度、回転方向を検出するための重要な部品です。通常のステッピングモータは指令パルスによって位置を管理しますが、エンコーダを組み合わせることで、脱調検出、位置補正、速度監視、原点復帰などが可能になります。インクリメンタルエンコーダは扱いやすく、一般的な用途に適しており、アブソリュートエンコーダは高精度な位置管理に向いています。使用時には、信号方式、配線、ノイズ対策、分解能、制御方式を適切に確認することが重要です。エンコーダを正しく活用することで、ステッピングモータの信頼性と制御精度を大きく向上させることができます。
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