RCサーボモータ

RCサーボモータとは

RCサーボモータとは、サーボモータはラジコン等の制御で使用される比較的小さなサーボモータのことです。

サーボモータとは、位置や速度の指令をモーターに出してモーターが指令値通りの動作を実行する機構の装置です。RCサーボモーターは、ラジコンではステアリングの制御等で使用されており、指令した値に対して正確に制御できます。

RCサーボモータの使用用途

従来のRCサーボモータは、ラジコンの制御を目的に使用されていました。近年は用途の幅が広がっており、ロボットの動作が新しい用途の一例です。

サーボモータと似た動きとして、ステッピングモータがあります。ステッピングモータも与えた指令値に対して動作するモータです。サーボモータは、これに加えてフィードバック機構を内部に持っており、エンコーダから取得した速度値を元により指令値に近い制御が可能です。

そのため、RCサーボモータが使われる場面としてはステッピングモータよりも正確な挙動が要求される場面で使用されています。

RCサーボモータの原理

RCサーボモータには、各サーボモーターによって、パルスに対する回転位置と回転方向が定められています。この仕様に応じたパルス状の信号を入力することで、任意の角度にモータを操作可能です。

一般的に、15〜20ms周期かつ0.5〜2.5ms幅のHIGHパルスを加える仕様が多いです。パルスの幅によって回転する位置が変わるため、仕様に合わせた信号を入力する必要があります。RCサーボモータへの指令の実行はPWM (Pulse Width Modulation) の形式です。

パルス幅がモータへの指令角度と対応するように定められています。回路基板は入力された指令角度とポテンショメータで測定した角度測定値を受け取り、演算を実行します。演算後に、モータドライバを経由してDCモータに印可する電圧を出力可能です。

RCサーボモータの構造

RCサーボモータはDCモータ、ギヤヘッド、駆動回路と角度指令型のサーボコントローラがパッケージ化されているため、軽量で使用しやすい構成です。ほとんどのRCサーボからは以下の3本の線が接着された3並列線が出ており、この信号線に対してパルス状の信号を入力することで任意の角度にモータを動かすことができるようになっています。

また、コネクタ形状は2.54mmピッチのメスコネクタです。

1. 信号線

パルス状の信号入力に使用する線です。色は「白」「青」「黄色」「オレンジ」の場合が一般的です。

サーボモータの中には、信号入力端子がオープンドレインであるものもあります。この時、マイコンと信号入力端子を接続するためにプルアップ (信号線を抵抗でHIGHに接続) しなければなりません。

ただし、マイコン端子を信号入力端子に繋ぐだけでは、マイコン信号がサーボモータへ反映されないことがあるので注意が必要です。

2. 電源線

電源線にはモータと制御基板の電源+の接続に使用する線と、モータと制御基板のGND線の接続に使用する線の2本があります。電源+線は3並列線の真ん中の線であり、色は「赤」の場合が多いです。

電源-線は「黒」か「茶色」の場合が多く、色の種類をこのように分けることで誤接続を防ぎます。

RCサーボモータのその他情報

1. ポテンショメータ

RCサーボモータでも使用されるポテンショメータとは、回転角や移動量を電圧に変換する機器を指します。ポテンショメーターのサーボモータは、変位センサーとしての役割があります。

サーボモーターの出力軸に直結されていて、回転とともに抵抗が変わる可変抵抗器です。ポテンショメータの出力は電圧ですが、この電圧をマイコンに送ることでマイコンはサーボモーターの位置情報を演算します。

2. PWM

RCサーボモータで使用するPWM制御方式について説明します。

PWM制御方式の1つに、三角波比較方式があります。三角波比較方式では、実現したい周波数の正弦波 (交流) とキャリアと呼ばれる三角形の形をした波の高低をオペアンプに入力して比較します。

正弦波がキャリアよりも大きい値を持つときは、スイッチング制御信号はONを出力します。一方、正弦波がキャリアよりも小さい値を持つときはOFFを出力します。この比較を繰り返すことで、スイッチング制御信号であるパルス波を出力することが可能です。

参考文献
http://www.robotsfx.com/robot/robohow/RoboHow110/RoboHow110.html
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicetr/46/4/46_4_237/_pdf