サーボモーター

サーボモータ（またはサーボモーター、あるいは単にサーボ）^[1]は、機械システムにおける角度または直線位置、速度、加速度の精密な制御を可能にする回転または直線アクチュエータである。^{[1] [2]}サーボ機構の一部を構成し、位置フィードバック用のセンサーとコントローラ（多くの場合、サーボモーター専用に設計された専用モジュール） に接続された適切なモータで構成される。

サーボモーターは特定のクラスのモーターではありませんが、サーボモーターという用語は、閉ループ制御システムでの使用に適したモーターを指すためによく使用されます。サーボモーターは、ロボット工学、CNC 機械、自動製造などのアプリケーションで使用されます。

サーボモーターは、位置フィードバック (直線位置または回転位置) を使用して動作と最終位置を制御する閉ループサーボ機構です。制御への入力は、出力シャフトの目的の位置を表す信号 (アナログまたはデジタル) です。

モーターは、位置フィードバック (およびより高度な設計では速度フィードバックも可能) を提供するために、何らかの位置エンコーダーとペアになっています。コントローラーは、測定された位置と目的の位置を比較してエラー信号を生成します。このエラー信号がフィードバックされると、モーターはシャフトを目的の位置に移動させるために必要な方向に回転します。目的の位置に近づくとエラー信号はゼロになり、モーターが停止します。

シンプルなサーボモーターは、ポテンショメーターによる位置のみの検知とモーターのバンバン制御を使用します。モーターは最高速度で回転するか停止するかのいずれかになります。このタイプのサーボモーターは産業用モーションコントロールでは広く使用されていませんが、ラジオコントロールモデルに使用されるシンプルで安価なサーボの基礎となっています。^[3]

より高度なサーボモーターは、絶対エンコーダ（ロータリーエンコーダの一種）を使用してシャフトの位置を計算し、出力シャフトの速度を推測します。^[4]可変速ドライブは、モーターの速度を制御するために使用されます。^[5]これらの拡張機能は、通常、 PID制御アルゴリズムと組み合わせて使用​​され、オーバーシュートが少なく、サーボモーターをより迅速かつ正確にコマンドされた位置に導くことができます。^[6]

サーボモーターは、一般に、ステッピングモーターの高性能な代替品として使用されます。ステッピングモーターには出力ステップが組み込まれているため、位置を制御する固有の機能があります。これにより、駆動信号が回転する移動ステップ数を指定するため、フィードバックエンコーダなしでオープンループ位置制御として使用される場合が多くありますが、そのためには、コントローラが電源投入時にステッピングモーターの位置を「知る」必要があります。したがって、最初の電源投入時に、コントローラはステッピングモーターをアクティブにして、たとえばエンドリミットスイッチがアクティブになるまで、既知の位置まで回転させる必要があります。これは、インクジェットプリンターの電源を入れたときに確認できます。コントローラは、エンド位置を確立するために、インクジェットキャリアを左端と右端に移動します。絶対エンコーダが使用されている場合、サーボモーターは、電源投入時の初期位置に関係なく、コントローラが指示した角度に即座に回転できます。

ステッピング モーターにはフィードバックがないため、その性能が制限されます。ステッピング モーターは、その能力の範囲内の負荷しか駆動できないためです。そうでない場合、負荷がかかった状態でステップが失敗すると、位置決めエラーが発生し、システムを再起動または再調整する必要があります。サーボ モーターのエンコーダーとコントローラーは追加コストがかかりますが、基本モーターの能力と比較して、システム全体の性能 (速度、電力、精度のすべて) を最適化します。強力なモーターがシステム コストに占める割合が増加する大規模なシステムでは、サーボ モーターが有利です。

近年、クローズドループステッピングモーターの人気が高まっています。^{[7]クローズドループステッピングモーターはサーボモーターのように動作しますが、スムーズな動きを実現するためのソフトウェア制御にいくつかの違いがあります。クローズドループステッピングモーターの主な利点は、比較的低コストであることです。また、クローズドループステッピングシステムでは}PIDコントローラーを調整する必要もありません。^[8]

最初のサーボモータは、エンコーダとしてシンクロを使用して開発されました。[ ^9]第二次世界大戦中、レーダーや対空砲の開発において、これらのシステムを使った多くの研究が行われました。^[10]

シンプルなサーボモーターでは、位置エンコーダーとして抵抗ポテンショメーターが使用されることがあります。これらは、最もシンプルで安価なレベルでのみ使用され、ステッピング モーターと競合します。ポテンショメーター トラックでは摩耗や電気ノイズが発生します。位置信号を電気的に微分して速度信号を得ることは可能ですが、そのような速度信号を利用できるPID コントローラーでは、通常、より高精度のエンコーダーが必要になります。

現代のサーボモーターは、絶対または増分ロータリー エンコーダーを使用します。絶対エンコーダーは電源投入時に位置を決定できますが、より複雑で高価です。増分エンコーダーはよりシンプルで安価で、より高速で動作します。ステッピング モーターなどの増分システムは、回転間隔を測定する固有の機能と、起動時の位置を設定するための単純なゼロ位置センサーを組み合わせることがよくあります。

サーボモーターの代わりに、別個の外部リニアエンコーダーを備えたモーターが使用されることもあります。^[11]これらのモーター+リニアエンコーダーシステムは、モーターとリニアキャリッジ間のドライブトレインの不正確さを回避しますが、工場で製造されたパッケージ済みのシステムではなくなるため、設計がより複雑になります。

サーボモーターにとってモーターの種類は重要ではなく、さまざまな種類を使用できます。^[12]最も単純なものは、シンプルで低コストなブラシ付き永久磁石DCモーターです。小型の産業用サーボモーターは、通常、電子整流ブラシレスモーターです。^[13]大型の産業用サーボモーターの場合、通常はAC誘導モーターが使用され、速度を制御できるように可変周波数ドライブが使用されることがよくあります。コンパクトなパッケージで最高のパフォーマンスを得るには、永久磁石界磁を備えたブラシレスACモーターが使用されます。これは、実質的にブラシレスDC電気モーターの大型バージョンです。^[14]

サーボモーターの駆動モジュールは標準的な産業用コンポーネントです。その設計はパワーエレクトロニクスの一分野であり、通常は3相MOSFETまたはIGBT Hブリッジに基づいています。これらの標準モジュールは、入力として単一の方向とパルス数（回転距離）を受け入れます。また、過熱監視、過トルク、ストール検出機能も備えている場合があります。^[15]エンコーダータイプ、ギアヘッド比、および全体的なシステムダイナミクスはアプリケーションに固有のものであるため、全体的なコントローラーを既製のモジュールとして製造することはより困難であり、そのためこれらはメインコントローラーの一部として実装されることがよくあります。^[16]

現代のサーボモーターのほとんどは、同じメーカーの専用コントローラモジュールを中心に設計・供給されています。また、大量生産のアプリケーションのコストを削減するために、マイクロコントローラを中心にコントローラが開発されることもあります。 ^[17]

統合型サーボモータは、モータ、ドライバ、エンコーダ、および関連する電子機器を1つのパッケージに組み込むように設計されています。^{[18] [19]}

• ダイレクトドライブ シミュレーション レーシング ホイール

• Wikimedia Commons のサーボモーターに関連するメディア