サーボモーターとは
サーボモーターは、エンコーダを内蔵しつつ変位を自由に決めることが出来るモーターの総称です。サーボはServant(奴隷)が語源で、指定通り動作することを示しています。ロボットや加工機で多く使用されます。
サーボモーターの使用用途
サーボモーターは家庭用として見ることはほぼありませんが、産業用途としては幅広く使用されています。
一例としては、自動車工場の組立ロボットなどです。サーボモーターを用いることで、数多くの部品を素早く正確に組立可能です。
自動車工場では塗装や溶接作業にもサーボモーターを用いたロボットが使用されます。プログラム次第で、正確に素早く同じ動作を再現します。
また、半導体製造装置や医療機器など、精密産業用機器には高い再現性と正確性が求められます。大小問わず多くのサーボモータが生産設備で使用されています。
サーボモーターの原理
現在広く普及している小型ACサーボモータとしては、永久磁石型同期モーターが使用されます。同期モーターは回転子、固定子、軸受、ケーシングなどで構成されます。
永久磁石型同期モーターの回転子には永久磁石が取り付けられており、固定子巻線が外周を円環状に囲んでいます。固定子巻線には外部から接続された配線が交流電流を流します。
電流を流された固定子巻線は、電磁石となります。交流電流が周波数に応じて位相を変化させるため、電磁石も極性を時間と共に変化させます。
一方で、回転子は永久磁石の極性が固定されているため、固定子の位相変化に応じて回転します。これがサーボモータの回転動作原理です。
サーボモーターには小型小容量のものがほとんどです。ただし、大容量サーボモータには誘導モーターが使用される場合もあります。
サーボモーターの最大の特徴は、エンコーダが付属することです。エンコーダによって、モーター変位を制御機器へフィードバックすることができます。
サーボモーターの電源には専用の制御機器を用います。制御機器によってエンコーダの信号を読み取り、周回数や速度などを制御できる機器です。
サーボモーター専用の制御機器はサーボドライバやサーボアンプと呼ばれ、モーターメーカーなどから販売されています。
サーボモーターのその他情報
1. サーボモーターとステッピングモーターの違い
ステッピングモーターは1パルスでどれだけ回転するか決まっているので、パルス信号で回転の角度や速度を簡単かつ正確に制御できます。構造も簡単かつ低コストですが、急激な負荷で同期がずれたり、高回転ではトルクが小さく音が大きくなります。
一方サーボモーターは、回転をセンサーで検出してフィードバック信号をドライバに送ります。制御信号とフィードバック信号を比較して差がなくなるように出力を調整するので、細かい制御が可能になります。
ステッピングモーターよりも滑らかに回転し、高トルクや高回転、急激な負荷でも安定します。反面、モーターやドライバが複雑で高コストであり、フィードバック信号と比較して制御するので、出力の変化に対して遅れが生じます。サーボモーターは、頻繁に始動や停止を繰り返したり、超低速や逆転など細かい制御をしたい場合に使用されます。
2. サーボモーターのトルク
サーボモーターのトルクは、定格トルクと瞬時最大トルクに分けられています。定格トルクは、モーターの定格出力、定格回転速度の状態で出力されるトルクのことです。通常運転時はこのトルク以下で使用します。
瞬時最大トルクは、短時間に出力可能な最大のトルクであり、加速や減速にかかる時間を短縮することが可能です。定格トルクより3～5倍ほどのトルクを発生させられますが、瞬時最大トルクでモーターを使い続けると寿命が短くなってしまいます。
通常運転時は定格トルク以下で使用するとモーターが長持ちします。サーボモーターを選定する際には、機械の負荷トルクや慣性モーメント、機械の制御パターンなどを考えて、必要なモーターの速度やトルクを求める必要があります。
3. サーボモーターの使い方
サーボモーターはプログラマブルコントローラやサーボアンプ、サーボドライバを接続して使用します。
ロボットやコントローラなど、電子工作で使用するサーボモーターは、マイコンボードと電池で動作します。サーボモーター用のライブラリが用意されているものもあるので、コードを記述するだけで簡単に動かすことができます。
参考文献
https://www.fujielectric.co.jp/products/column/servo/servo_01.html
https://www.jel-robot.co.jp/term/term003.html