サーボシステムは、自動制御システムの一種で、位置・速度・トルクなどの物理量を高精度に制御するために使われます。
１．サーボシステムの基本
サーボシステムは自動制御システムの一種で位置・速度・トルクなどの物理量を高精度に制御するために使われます。ロボットや工作機械など精密な動作が求められる装置に広く利用されています。サーボシステムは主に次の３つの要素から構成されています。
１－１ サーボモータ
モータが機械の動作部分を駆動します。サーボモータは高精度で速度や位置を制御できるために、通常のモータとは異なり精密な制御を必要とする用途に使われます。
１－２ フィードバックセンサ
位置や速度などの情報のモニタリングを行いサーボドライバにフォードバックする役割を果たします。このフィードバックに基づいてシステムは制御を修正します。代表的なセンサにはエンコーダやレゾルバがあります。
１－３ サーボドライバ サーボドライバがサーボモータを制御するための電力供給と指令を行います。入力信号（指令）を受け取り、フィードバックデータを元にモータの動作をコントロールします。
２．ＡＣサーボドライバとは
ＡＣサーボドライバはＡＣサーボモータを制御するための専用デバイスです。サーボドライバの役割はモータに電力を供給し、動作の精度を保ちながら適切な位置をコントロールすることで次の役割を担っています。
２－１ モータへの電力供給
サーボドライバは商用電源を整流しモータに適切な方法で電力を供給します。ＡＣサーボモータは交流電源で駆動されますがその制御には電源からの電圧や周波数を正確にコントロールする必要があります。ドライバはモータの回転数やトルクを正確に調整するためにインバータ回路を用いてこれらをコントロールします。
２－２ 指令信号の処理とフェードバック制御
サーボドライバは制御システムやＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）から受け取った指令信号を処理し、モータに適切な動作をさせます。例えばモータを特定の位置に移動させる場合サーボドライバは指令通りにモータを動かし、フィードバックセンサからのデータを用いて正確な位置にコントロールします。
この時のフィードバック制御を簡単に説明しますと次の様になります。
①指令値：
サーボドライバは外部からの指令信号（速度・位置・トルク）を受けます。
②フィードバック値：
モータの現在位置の状態（例えば、実際の回転速度や位置）はフェードバックセンサーからサーボドライバに送られます。
③誤差補正：
ドライバは指令値とフェードバック値の差（誤差）を計算しその誤差を最小値にするようにモータの動作を修正します。この動作をフォードバック制御と呼びます。
２－３ 高度な制御
ＡＣサーボドライバは位置や速度のコントローラにおいて非常に高い精度を要求されます。これは例えば工作機械や産業ロボットでの精密な加工や動作の為に不可欠です。ドライバの中には位置を０．００１度単位でコントロールできるものもあり、非常に精密な位置決めが可能です。
２－４ 各種制御モード
ＡＣサーボドライバは用途に応じて様々な制御モードをサポートしています。代表的な制御モードには次のものがあります。
①位置制御モード：
モータの位置を特定の指令に従って正確に制御します。例えば、ロボットアームの関節を特定の確度に移動させる場合などです。
②速度制御モード：
モータの回転速度を一定に保つために使用されます。コンベアシステムや回転機器などで広く利用されます。
③トルク制御モード： トルク（力の強さ）を一定にする制御です。巻き取り機器や圧縮機器で、張力や圧力を正確に制御する必要がる場合に利用されます。
３．ＡＣサーボドライバの主な構成要素
ＡＣサーボドライバは複数の電子部品や制御回路が組み合わさって動作します。ＡＣサーボドライバの主な構成要素について説明致します。
３－１ インバータ回路
インバータは直流電源を交流に変換する回路です。ＡＣサーボドライバは、通常は商用電源を一旦整流して直流（ＤＣ）に変換し、その直流電源をインバータ回路を通して供給しています。この時モータの速度やトルクを調整（コントロール）するためにインバータは出力電圧や周波数を常に制御（コントロール）します。これによってモータの回転速度やトルクを非常に細かく調整することができます。
３－２ マイクロプロセッサ（制御ＣＰＵ）
ＡＣサーボドライバにはマイクロプロセッサが搭載されており、システム全体の制御やフィードバック処理を行います。マイクロプロセッサは外部からの指令信号を解析しサーボモータに送るべき適切な電流・電圧の制御を計算しまさす。またフィードバックセンサからの情報をリアルタイムで受け取り必要に応じてモータの動作を修正する役割も果たしています。
３－３ フィードバックセンサ
ＡＣサーボドライバはエンコーダやレゾルバといったフィードバックセンサが重要な役割を担います。これらのセンサはモータの現在の回転速度・位置・角度などをリアルタイムでサーボドライバに送り返します。このフィードバック情報を基にＡＣサーボドライバはモータの動作を調整して誤差を最小限に抑えるように制御（コントロール）しています。
３－４ 電源回路
ＡＣサーボドライバは商用電源から供給される電力を、モータの制御に適した形に変換します。商用電源は交流（ＡＣ）で供給されますために直流（ＤＣ）に変換し、その後インバータ回路を介して再び交流（ＡＣ）としてモータに供給します。この電源回路の役割は安定した電圧を供給しシステム全体がスムーズに動作するための基盤を提供します。
４．ＡＣサーボドライバの産業用途における役割
４－１ 産業ロボットにおける役割
①精密な動作制御：
産業ロボットは自動車産業や電子機器製造など多くの産業分野で欠かせない存在です。ＡＣサーボドライバはこれらロボットの複数の関節や軸を正確に制御（コントロール）するために使用されます。ロボットアームの位置決め・速度・トルクの調整は極めて高精度が要求されます。ＡＣサーボドライバはフィードバック制御とＰＩＤ制御を通じて、ミクロンオーダの精度で位置決めが可能となります。これによって部品の組立や溶接など繊細な作業も正確に行うことができるようになります。
②高速応答と動作の安定性：
産業ロボットでは、動作の繰り返し精度と応答速度が非常に重要です。ＡＣサーボドライバは動作中にフォードバックをリアルタイムで監視し、リアルタイムに修正（補正）を行うことで高速かつ安定した動作を実現します。これによってロボットが滑らかに動作し製造ラインの効率を向上させています。
４－２ 工作機械における役割
①ＣＮＣ工作機械での高精密度制御：
ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）工作機械は、金属やプラスティックなどの素材をミクロン単位で加工するための装置です。ここでもＡＣサーボドライバは重要な役割を果たしています。ＡＣサーボドライバはツールの位置や回転速度を正確に制御し、複雑な加工や精密な形状の削り出しを実現しています。例えば航空機部品や自動車エンジン部品の様に寸法精度が非常に厳しい加工には不可欠です。
②剛性と制御暗転性の向上：
工作機械は負荷変動や外部の振動により加工精度が影響を受けやすいですがＡＣサーボドライバの精密なフィードバック制御と高応答性により工具の剛性を保ち加工中に安定した制御を維持することが可能です。これによって高速切断や複雑な３Ｄ加工でも高い精度が確保出来ています。