サーボモーターの駆動方法と必要なコンポーネント

投稿日 2021/07/21 水曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

ここではあまり電気機械について多くを語ることはありませんが、小型モーターの駆動と制御は重要なトピックです。多くの消費者製品や産業製品に見られるモーターの一種にサーボモーターがあります。このタイプのモーターは閉ループフィードバック、統合エンコーダー、および制御アルゴリズムを必要としますが、提供する位置と速度の制御により、多くのアプリケーションで高い適応性を持っています。

サーボモーターをどのように駆動するかという問題は、センシングがどのように実装されているか、および駆動されるモーターのタイプを見ることを要求します。高出力サーボを扱っていない限り、ドライバー回路を構築するために離散半導体を使用する必要はありません。代わりに、適切な電子検索エンジンでサーボコントローラーを市場で見つけることができます。サーボモーターの駆動と制御に必要なコンポーネント、および次の電気機械システムのための市場でのコンポーネントオプションを見てみましょう。

サーボモーターの駆動方法

サーボモーターを駆動する方法について説明する前に、サーボモーターを扱うことが新しい人は、サーボモーターが特定のタイプのモーターではないことを知っておくべきです。むしろ、「サーボ」という用語は、モーターがどのように駆動され、その位置、速度、および加速が制御されるかを指します。サーボモーターでは、モーターとコントローラー間のフィードバックループを通じて制御が適用され、モーター内の統合エンコーダーでモーターの位置/速度が感知されます。この機能を提供するセンサーには、統合ポテンショメーター、ホール効果センサー、またはフォトゲートとフォトダイオードを備えたLEDがあります。

サーボモーターの駆動は、駆動および制御回路の一部として2つの重要な要素で構成されます：

調整可能な駆動信号。 サーボモーターでは、PWM信号が使用され、ローターを特定の位置に回転させます。デューティサイクルを調整することで、回転速度を調整できます。
センシングおよび制御回路。 制御およびセンシング回路は、モーターが動作する際のローターの位置と速度を決定します。フィードバック制御を通じて、非常に正確な速度を維持できます。
フィードバックループおよび駆動調整。 これは、専用のドライブコントローラーまたはMCUで行うことができます。すべてのサーボモーターにエンコーダーがあるわけではないことに注意してください。
ブレーキング。 私たちは常にモーターの駆動について話すのが好きですが、モーターのブレーキングについて話す人はほとんどいません。サーボは、ローターを減速させ、ブレーキ後にその位置を保持するためのブレーキング回路とロジックが必要です。

サーボモーターは、制御線を通じてPWM信号を送信し、モーターに電力を供給することによって駆動されます。パルス幅に応じて、サーボモーター内のローターは特定の角度を回転できます。つまり、デューティサイクルがシャフトの最終位置を決定します。サーボモーターはDCまたはAC電圧で駆動でき、エンコーダー信号（存在する場合）はプロセッサーまたはドライバーとのフィードバックループを閉じます。サーボモーターとそのコントローラー/ドライバーの基本的なアーキテクチャは以下の通りです。

モーターコントローラICを使用してサーボモーターを駆動する方法を示すブロック図。

サーボでの位置保持

サーボの素晴らしい点は、アクチュエーションステップの間にその位置を保持するように設定できることです。サーボモーターによって提供される保持トルクは、ステッパーモーターから得られるトルクと比較しても遜色ありません。外部力がローターを静止位置から押し出そうとすると、エンコーダーがこのずれを感知し、コントローラーに外部力に対抗して駆動させ、ローターの位置を保持させることができます。サーボは、指定されたトルク内の任意の力を保持します。

サーボドライバーの解剖

サーボドライブコントローラーにはいくつかのオプションがありますが、一般的なコンポーネントから適切なドライバーと制御回路を構築することもできます。サーボを駆動および制御するための簡単な方法には以下が含まれます：

デュアルMOSFETドライバー。 この方法は、ロジックレベルでスイッチングできる低電圧サーボとMOSFETに最適です。
DAC駆動。 PWMドライバーに頼ることなく、直接駆動波形を生成できます。
PWM制御Hブリッジ。 この方法は、サーボモーターに高い同期電流を提供できます。

最初の2つのオプションでは、制御ループ、駆動、およびセンシングをすべてMCU上で実装できます。この場合、ロジックレベルでオンにできるMOSFETを使用し、かつサーボモーターの定格よりも高い電圧定格を持つものを選択して、MOSFETがトランジェントに耐えられるようにします。最後のオプションは、サーボを駆動するために必要な電流の量に依存します。幸いなことに、標準的なモータードライバー回路で使用できるコントローラICがあり、単一のドライバー/コントローラー解決策を提供します。

低コストのSMD（24ピンSOIC）精密モーターコントローラーの一例は、Texas InstrumentsのLM628/LM629です。このコンポーネントは、DACベースの駆動または外部Hブリッジを駆動するための8ビットPWM出力を備えたデジタルPID制御ループを統合しています。LM268バージョンでは、ドライバーシグナルを生成するために外部の8ビットから12ビットDACが推奨されます。LM629ベースのコントローラーは、外部Hブリッジを直接駆動するための8ビットPWM出力を提供します。どちらも、過酷な環境での使用に適した28ピンDIPパッケージで提供されています。

Texas InstrumentsのLM628サーボモーターコントロールICのブロック図。LM628データシートより。

電気機械システム用のその他のコンポーネント

モータードライブおよび制御回路のサイズや複雑さに関わらず、システムで使用するドライブコントローラーをサポートするために多くのコンポーネントが必要になります。これらのコンポーネントは、電力の供給からユーザーからのコマンドの受信まで、あらゆることを行う必要があります。製品に必要な他のコンポーネントには以下が含まれるかもしれません：

サーボモーターの駆動方法を知ったら、Octopartの高度な検索とフィルタリング機能で必要なコンポーネントをすべて見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、ディストリビューターのデータと部品仕様の完全なセットにアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。モーターとドライブのページをご覧ください、必要なコンポーネントを見つけてください。

最新の記事を読むには、ニュースレターに登録してください。