Loading article…
機械工学および制御工学において、サーボ機構（サーボシステム、または単にサーボとも呼ばれる）は、機械システムの位置および速度などの時間微分を制御するシステムである。サーボモータを含むことが多く、閉ループ制御を使用して定常状態誤差を低減し、動的応答を改善する。[ 1 ]閉ループ制御では、機構の動作を修正するために、誤差検出負帰還が使用される。 [ 2 ]変位制御アプリケーションでは、通常、出力が目的の効果を達成していることを確認するために、内蔵エンコーダまたはその他の位置フィードバック機構が含まれる。 [ 3 ]指定された運動軌道に従うことをサーボイングと呼び、[ 4 ]ここで「サーボ」は動詞として使用される。サーボの接頭辞は、ラテン語で「奴隷」を意味するservusに由来する。[ 1 ]
この用語は、フィードバックまたはエラー修正信号が機械的な位置、速度、姿勢、またはその他の測定可能な変数を制御するのに役立つシステムにのみ正しく適用されます。[ 5 ]例えば、自動車のパワーウィンドウ制御は、位置を制御する自動フィードバックがないため、サーボ機構ではありません。オペレーターは目視によってこれを行います。対照的に、自動車のクルーズコントロールは閉ループフィードバックを使用するため、サーボ機構に分類されます。
一般的なサーボは位置制御に使用されます。サーボは一般的に電気式、油圧式、または空気圧式です。これらは負帰還の原理に基づいて動作し、制御入力は出力側の何らかのトランスデューサによって測定された機械システムの実際の位置と比較されます。実際の値と目標値の間の正または負の差（「誤差信号」）は増幅（および変換）され、誤差を低減または除去するために必要な方向にシステムのモーターを駆動するために使用されます（例えば、Hブリッジコントローラを介して）。この手順は、制御理論の広く使用されている応用例の1つです。一般的なサーボは、回転（角度）出力または直線出力を提供できます。
ガバナーによる速度制御もサーボ機構の一種である。蒸気機関は機械式ガバナーを使用しており、初期の応用例としては水車の速度制御が挙げられる。第二次世界大戦前には、航空機の操縦性を高めるためにエンジン速度を制御する定速プロペラが開発された。ガスタービンエンジンの燃料制御には、油圧式または電子式のガバナーが用いられる。
位置決めサーボ機構は、当初は軍の射撃管制装置や船舶航行装置に用いられていました。現在では、自動工作機械、衛星追跡アンテナ、ラジコン飛行機、船舶や航空機の自動航行システム、対空砲制御システムなどに使用されています。その他にも、航空機の操縦翼面を駆動するためにサーボ機構を用いるフライ・バイ・ワイヤシステムや、同じ目的でRCサーボを用いるラジコン模型などがあります。多くのオートフォーカスカメラも、レンズを正確に動かすためにサーボ機構を使用しています。ハードディスクドライブには、サブマイクロメートル精度の位置決めが可能な磁気サーボシステムが搭載されています。産業機械では、サーボ機構は多くの用途で複雑な動作を実現するために用いられています。
サーボモーターは、ロータリーエンコーダーまたはポテンショメータと組み合わせてサーボ機構を構成する特殊なタイプのモーターです。このアセンブリは、さらに別のサーボ機構の一部を構成することもあります。ポテンショメータは位置を示す単純なアナログ信号を提供しますが、エンコーダーは位置と通常は速度のフィードバックを提供します。これにより、PIDコントローラを使用することで、より正確な位置制御が可能になり、安定した位置をより迅速に達成できます（モーター出力が一定の場合）。ポテンショメータは温度変化によってドリフトする傾向がありますが、エンコーダーはより安定していて正確です。
サーボモーターは、ハイエンドとローエンドの両方の用途で使用されます。ハイエンドでは、ロータリーエンコーダを使用する精密な産業用部品があります。ローエンドでは、フリーランニングモーターと組み込みコントローラを備えたシンプルなポテンショメータ位置センサを使用する、無線操縦モデルで使用される安価な無線制御サーボ（RCサーボ）があります。サーボモーターという用語は一般的にハイエンドの産業用部品を指し、サーボという用語はポテンショメータを使用する安価なデバイスを説明するために最もよく使用されます。ステッピングモーターは、より大きなサーボ機構の構築にも使用されますが、サーボモーターとはみなされません。ステッピングモーターは、その構造により固有の角度位置決め機能を持ち、これは一般的にフィードバックなしのオープンループ方式で使用されます。これらは一般的に中精度の用途で使用されます。[ 6 ]
RCサーボは、自動車のステアリング、飛行機の操縦翼面、ボートの舵など、さまざまな機械システムの駆動に使用されます。手頃な価格、信頼性、マイクロプロセッサによる制御の容易さから、小型ロボットアプリケーションでよく使用されます。標準的なRC受信機（またはマイクロコントローラ）は、パルス幅変調（PWM）信号をサーボに送信します。サーボ内部の電子回路は、パルスの幅を位置に変換します。サーボに回転指令が出されると、ポテンショメータが指令された位置に対応する値に達するまで、モーターに電力が供給されます。
ジェームズ・ワットの蒸気機関の調速機は、一般的に最初の動力フィードバックシステムと考えられている。風車のファンテールは自動制御の初期の例ではあるが、増幅器やゲインを備えていないため、通常はサーボ機構とはみなされない。
最初のフィードバック位置制御装置は、船の操舵輪の位置に基づいて大型船の舵の位置を調整する船の 操舵エンジンでした。ジョン・マクファーレン・グレイはその先駆者でした。彼の特許取得済みの設計は、 1866年に SSグレート・イースタン号で使用されました。ジョセフ・ファーコットもフィードバックの概念に関して同等の功績を認められるべきで、1862年から1868年の間にいくつかの特許を取得しています。[ 7 ]
テレモーターは1872年頃にアンドリュー・ベッツ・ブラウンによって発明され、制御室とエンジンの間の複雑な機構を大幅に簡素化することができました。[ 8 ]蒸気操舵エンジンは、入力、出力、誤差信号、および誤差をゼロに近づけるための負帰還に使用される誤差信号を増幅する手段という、現代のサーボ機構の特徴を備えていました。ラゴネット動力逆転機構は、1909年に特許を取得した、直線運動用の汎用空気または蒸気駆動サーボ増幅器でした。[ 9 ]
電気サーボ機構は、早くも1888年にエリシャ・グレイのテルオートグラフで使用されていた。
電気サーボ機構にはパワーアンプが必要です。第二次世界大戦では、アンプリダインをパワーアンプとして使用した電気式射撃制御サーボ機構が開発されました。真空管アンプは、 UNIVAC IコンピュータのUNISERVOテープドライブで使用されました。イギリス海軍は1928 年にHMS Championでリモートパワーコントロール ( RPC )の実験を開始し、1930 年代初頭には RPC を使用して探照灯を制御し始めました。第二次世界大戦中は、RPC は砲架と砲撃指揮装置の制御に使用されました。
現代のサーボ機構は、通常MOSFETまたはサイリスタ素子で構成された固体電力増幅器を使用する。小型サーボでは、パワートランジスタを使用する場合もある。
この言葉の語源はフランス語の「Le Servomoteur」または「スレーブモーター」に由来すると考えられており、1868年にJJL Farcotが船舶の操舵に使用する水力および蒸気機関を説明するために初めて使用した。[ 10 ]
最も単純なタイプのサーボはバンバン制御を使用する。より複雑な制御システムは、比例制御、PID制御、状態空間制御を使用し、これらは現代制御理論で研究されている。
サーボはフィードバック制御システムによって分類できます。[ 11 ]
サーボ帯域幅は、指令入力の急激な変化にサーボが追従できる能力を示す指標です。