サーボモーターとは
サーボモーターとは、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。民生機器ではあまり見かけませんが、ロボットや産業用加工機、プレス加工機などの産業機械向けの制御部に非常に多く使用されています。
一般的なモーターと異なり、高速で応答性や制御性良く正確に動作するのが特徴です。サーボモーターの動作に際しては、ドライバやコントローラといった制御装置が必要です。
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での使用が挙げられます。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。
また高い再現性と正確性が求められる半導体製造装置や医療機器などの精密産業用機器の生産設備では、大小問わず多くのサーボモーターが使用されています。
サーボモーターの原理
現在広く普及している小型ACサーボモーターには、永久磁石型同期モーターが使用されています。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。外部から接続された配線より固定子巻線に交流電流を流すと、電流を流された固定子巻線は電磁石となります。流された交流電流は周波数に応じて位相変化を生じるため、電磁石化された固定子巻線の極性は時間と共に変化します。
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ーの回転の動作原理です。サーボモーターには小型小容量のものがほとんどですが、大容量サーボモーターには誘導モーターが使用される場合もあります。
サーボモーターの種類
サーボモーターの種類は大きくわけて、DCサーボモーターとACサーボモーターに区分可能です。
1. DCサーボモーター
直流 (DC) 駆動のサーボモーターであり、回転子に流す直流電流を機械的に制御するための電極用ブラシがついています。小型でコストも低いですが、定期的なブラシメンテナンスが欠かせません。
2. ACサーボモーター
交流 (AC) 駆動のサーボモーターであり、回転子に永久磁石を用いる同期モーターが昨今の主流です。永久磁石を用いることで、使わないタイプに比べて制御系を簡潔に構成できるためです。
サーボモーターのその他情報
1. サーボモーターの特徴
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あり、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可能です。また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ます。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。
2. 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
1パルスでどれだけ回転するか決まっているため、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。
サーボモーター
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、細かい制御が可能です。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。その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。
3. 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
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
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。
4. 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