サーボモーター

産業用サーボモーター灰色/緑色の円筒部分はブラシ付きDCモーターです。下部の黒い部分には遊星減速機が内蔵されており、モーター上部の黒い物体は位置フィードバック用の光学式ロータリーエンコーダです。これは大型ロボット車両のステアリングアクチュエータです。
互換性のための標準化されたフランジマウントを備えた産業用サーボモーターとギアボックス

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 ]サーボ機構の一部であり、位置フィードバック用のセンサーとコントローラー（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ーで構成される。

サーボモーターは特定のモータークラスではありませんが、閉ループ制御システム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、自動製造などの用途で使用されます。

様々な取り付けパターンが存在します。NEMA ICS 16では、複数のフランジ取り付けパターンと、それに対応するボルト円がミリメートルまたはインチ単位で定義されています。

機構

サーボモータは、位置フィードバック（直線位置または回転位置）を用い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、出力軸の目標位置を表す信号（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（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と組み合わせられています。コントローラは測定位置と目標位置を比較して誤差信号を生成します。この誤差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標位置に移動させるために必要な方向に回転します。目標位置に近づくと誤差信号はゼロに減少し、モーターを停止させます。

シンプルなサーボモーターは、ポテンショメータによる位置検出とモーターのバンバン制御のみを使用します。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の方法で動作します。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、ラジコン模型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、サーボモータをより迅速かつ正確に、オーバーシュートを抑えながら指示された位置に導くことができます。[ 6 ]

サーボモーターとステッピングモーターの比較

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、位置を制御するある程度の固有の機能があります。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ーなしでオープンループ位置制御として使用できることがしばしばありますが、そのためにはコントローラー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、コントローラーはステッピングモーターを起動して、例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るでしょう。これは、インクジェットプリンターの電源投入時に確認できます。コントローラーはインクジェットキャリアを左端と右端まで移動させて、エンド位置を確立します。絶対値エンコーダーが使用されている 場合、サーボモーターは、電源投入時の初期位置に関わらず、コントローラー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。負荷がかかっている状態でステップミスが発生すると、位置決めエラーが発生し、システムの再起動や再調整が必要になる場合があります。サーボモーターのエンコーダとコントローラは追加コストがかかりますが、基本モーターの能力に応じて、システム全体の性能（速度、出力、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、閉ループ型ステッピングモーターの人気が高まっています。[ 7 ]閉ループ型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、滑らかな動作を実現するためのソフトウェア制御に若干の違いがあります。開ループ型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、開ループ型ステッピングモーターシステムでは、フィードバック制御器の調整も不要です。[ 8 ]

エンコーダ

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用い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、位置エンコーダとして抵抗性ポテンショメータが使用されることがあります。これは非常に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。ポテンショメータのトラックは摩耗や電気ノイズの影響を受けます。位置信号を電気的に微分して速度信号を得ることも可能ですが、そのような速度信号を利用できるPIDコントローラでは、一般的により高精度なエンコーダが必要になります。

現代のサーボモーターは、アブソリュート型またはインクリメンタル型のロータリーエンコーダを使用しています。アブソリュートエンコーダは電源投入時に位置を特定できますが、複雑で高価です。インクリメンタルエンコーダはよりシンプルで安価であり、高速で動作します。ステッピングモーターなどのインクリメンタルシステムは、回転間隔を測定する固有の機能と、シンプルなゼロ位置センサーを組み合わせて、起動時の位置を設定す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駆動トレインの不正確さを回避しますが、工場で製造されたあらかじめパッケージ化されたシステムではなくなるため、設計はより複雑になります。

モーター

サーボモータにとってモータの種類は重要ではなく、様々な種類が使用される。[ 12 ]最も単純なものとしては、ブラシ付き永久磁石DCモータが使用される。これは、そのシンプルさと低コストのためである。小型の産業用サーボモータは、通常、電子整流式ブラシレスモータである。[ 13 ]大型の産業用サーボモータでは、通常、AC誘導モータが使用され、多くの場合、速度制御を可能にするために可変周波数ドライブが併用される。コンパクトなパッケージで最高の性能を実現するには、永久磁石界磁を備えたブラシレスACモータが使用され、これは実質的にブラシレスDC電動モータの大型版である。[ 14 ]

サーボモータ用の駆動モジュールは標準的な産業用部品です。その設計はパワーエレクトロニクスの一分野であり、通常は三相MOSFETまたはIGBT Hブリッジをベースとしています。これらの標準モジュールは、単一の方向とパルス数（回転距離）を入力として受け入れます。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 ]エンコーダの種類、ギアヘッド比、およびシステム全体のダイナミクスはアプリケーション固有のため、コントローラ全体を既製のモジュールとして製造することは困難であり、多くの場合、メインコントローラの一部として実装されます。[ 16 ]

コントロール

現代のサーボモータのほとんどは、同じメーカーの専用コントローラモジュールをベースに設計・供給されています。また、大量生産アプリケーションのコスト削減のため、マイクロコントローラをベースにコントローラを開発する場合もあります。 [ 17 ]

現代の産業用サーボモータシステムは、フィードバックループを用いて電流、速度、位置を制御するデジタルサーボドライブまたはアンプを採用しています。これらのドライブは、EtherCAT、CANopen、POWERLINKなどの産業用フィールドバスを介して通信し、複数の軸間の協調動作を可能にします。ADVANCED Motion Controls、Bosch Rexroth、Yaskawaなどのメーカーは、ロボット工学、CNC機械、自動化生産設備で使用されるこのようなサーボドライブファミリーを開発しています。[ 18 ] [ 19 ]

統合サーボモーター

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。[ 20 ] [ 21 ]

参照

参考文献

  1. ^ a bエスクディエ, マルセル; アトキンス, トニー (2019).機械工学辞典. doi : 10.1093/acref/9780198832102.001.0001 . ISBN 978-0-19-883210-2。
  2. ^ Sawicz, Darren. 「Hobby Servo Fundamentals」（PDF） . 2012年9月7日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2012年10月12日閲覧。
  3. ^ 「MKDシリーズ」www.wakeindustrial.com . 2024年6月1日閲覧。
  4. ^ Suk-Hwan Suh、Seong Kyoon Kang、Dae-Hyuk Chung、Ian Stroud (2008年8月22日). CNCシステムの理論と設計. Springer Science & Business Media. pp. 11–. ISBN 978-1-84800-336-1. 2017年3月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  5. ^ Jacek F. Gieras (2011年6月3日).永久磁石モータ技術：設計と応用、第3版. CRC Press. pp. 26–. ISBN 978-1-4398-5901-8. 2017年3月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ Ralf Der、Georg Martius (2012年1月11日). 『遊び心のある機械：自己組織化ロボットの理論的基礎と実用化』 Springer Science & Business Media. pp. 302–. ISBN 978-3-642-20253-7. 2017年3月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ 「サーボモーターとステッピングモーターの違いは何か？」。これとあれ。 2024年6月1日閲覧。
  8. ^ 「Fastech Closed Loop Stepper Motors」 Fastech Korea. 2015年3月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  9. ^ Upson, AR; Batchelor, JH (1978) [1965]. Synchro Engineering Handbook . Beckenham: Muirhead Vactric Components. pp. 7, 67– 90.
  10. ^「第10章」。海軍兵器・砲術第1巻。アメリカ海軍。1957年。2007年12月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  11. ^ 「Accupoint™ リニアエンコーダ」 Epilog Laser。2012年10月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  12. ^ 「サーボモーターの駆動方法とその産業用途」 Components CSE . 2023年1月31日閲覧。
  13. ^ 「サーボモーター用ブラシレスDCモーターコア」マクソンモーター。2013年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  14. ^ 「コンパクトダイナミックブラシレスサーボモーター」 Moog Inc. 2012年10月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  15. ^ 「ブラシレスPWMサーボアンプ」（PDF） . 高度なモーションコントロール. 2014年11月27日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
  16. ^ 20240175678、バインダー、イェフダ、「複数の距離計を協調的に使用するための方法および装置」、2024年5月30日発行 
  17. ^ Chowdhury, Rasel. 「色検出器および分離装置」。
  18. ^ 「サーボドライブ - ADVANCED Motion Controls」 . ADVANCED Motion Controls . 2025年11月6日閲覧。
  19. ^ 「サーボドライブの概要」 .制御エンジニアリング. 2025年11月6日閲覧。
  20. ^ Max A. Denket (2006). 『ロボティクス研究の最前線』Nova Publishers. pp. 44–. ISBN 978-1-60021-097-6. 2018年5月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  21. ^ Jacek F. Gieras (2002年1月22日).永久磁石モータ技術：設計と応用、第2版. CRC Press. pp. 283–. ISBN 978-0-8247-4394-9. 2018年5月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
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