サーボドライブ｜高速応答で精密な位置速度制御実現

サーボドライブ

サーボドライブは、サーボモータに電力を供給しつつ電流・速度・位置の各ループを高帯域で制御する電力変換装置である。一般に「サーボアンプ」とも呼ばれ、PWMインバータと制御プロセッサ、エンコーダ等のフィードバック系で構成される。工作機械、産業用ロボット、包装機、半導体製造装置などで高速・高精度の追従性と安定性を両立させ、軌跡制御やトルク制御を実現するのがサーボドライブの役割である。

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サーボドライブ

動作原理と制御ループ

サーボドライブの制御は階層的である。最内周に電流（トルク）ループ、中間に速度ループ、最外周に位置ループを配置し、FOC（Field-Oriented Control）でｄｑ軸電流を制御する。電流ループは数kHz〜十数kHzの帯域でPI制御を行い、速度・位置ループはPI/PIDやフィードフォワードで応答性を高める。エンコーダのA/B/Zや絶対値信号をPLL等で位相整合し、PWMでIGBTやMOSFETを駆動して三相出力を生成する。

主な構成要素

電力部（DCリンク、スイッチング素子、ゲートドライバ、回生抵抗）、制御部（DSP/MCU、A/D、制御ファームウェア）、フィードバック部（インクリメンタル/絶対エンコーダ、レゾルバ）、入出力部（デジタルI/O、アナログ±10V、パルス/ディレクション）、保護・安全（過電流・過電圧検出、STO）で構成される。EMI対策としてフィルタやシールド、アース設計が重要である。

制御モードとモーション機能

トルク（電流）制御：モータの発生トルクを直線性良く指令する。張力制御や巻出しに有効。
速度制御：回転数指令に追従。加減速プロファイルやS字加減速で機械応力を低減。
位置制御：パルス列やフィールドバスからの位置指令に追従。電子カム、ギアリング、内挿（補間）で多軸同期を実現。

チューニングと安定化手法

機械剛性や負荷慣性に応じてゲインを設定し、位相余裕・ゲイン余裕を確保する。オートチューニングは慣性推定とゲイン初期化を自動化する。共振対策としてノッチフィルタ、ローパス、加速度/速度フィードフォワード、摩擦補償、DOB（Disturbance Observer）、微小振動抑制機能などを用いる。パラメータは温度・負荷・摩耗で最適点がずれるため、保全時の再調整が有効である。

通信・インターフェース

サーボドライブは多様な上位接続に対応する。高速同期用途ではEtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、MECHATROLINK、CANopen等の産業ネットワークを用いる。簡易制御ではパルス列やアナログ指令を使用する。エンコーダはTTL、HTL、Sin/Cos、BISS-C、EnDatなどがあり、分解能と遅延が位置決め精度に直結する。安全機能はSTO、SS1、SS2、SLSなどが普及しており、IEC 61800-5-2等に基づく設計が行われる。

電源・回生・多軸構成

電源はAC 200V/400V三相やDCバスを用いる。加速時はDCリンクから電力を供給し、減速時は回生エネルギーが発生する。回生抵抗で熱として消費する方式のほか、AFE（Active Front End）で電力系統へ回帰させる方式もある。多軸機では共通DCバスで回生エネルギーを他軸が再利用し、省エネと小型化に寄与する。

選定ポイント

定格・ピーク電流と過負荷率：動作サイクルのトルク要求と熱設計に整合。
慣性比：モータと負荷の慣性比は応答性と安定性の鍵。高分解能エンコーダは高ゲイン化を助ける。
機械特性：剛性、バックラッシ、ベルト/ボールねじの固有振動数。
環境条件：温度、粉塵、振動、IP保護等級、冷却方式。
機能安全・EMC：安全カテゴリやノイズ耐性、配線の容易性。

代表的な用途

工作機械：高速主軸のオリエンテーション、送り軸のナノレベル位置決め。
産業用ロボット：関節軸のトルク制御と軌跡精度の両立。
搬送・包装：電子カムでカッタ・シーラの同期制御。
半導体・FPD：ステージの微細ステップ移動と速度リップル低減。
巻取り・張力：トルク制御と径推定による一定張力化。
医療・検査：スキャン軸の等速性、衝撃レス停止。

トラブルシューティングと保全

過電流・過電圧・過速度・エンコーダ異常・過熱等のアラームは、電源品質、配線、冷却、シールド、アース不良に起因することが多い。配線のツイストペア化、モータケーブルとエンコーダケーブルの離隔、接地一点化でノイズを低減できる。電解コンデンサやファンは寿命部品であり、予防交換とファームウェア更新、パラメータのバックアップ運用が有効である。

用語の整理

サーボシステム全体はサーボドライブ、サーボモータ、フィードバックセンサ、上位コントローラ（PLC/モーションコントローラ）で構成される。「サーボアンプ」はサーボドライブの同義であり、ACサーボが主流である。近年は高分解能エンコーダと高帯域制御により、微小送り時のスティックスリップ抑制や速度リップル低減が進む。

法規・規格・設計の留意点

機能安全はIEC 61800-5-2、EN ISO 13849等を参照し、リスク評価に基づきSTO等を実装する。EMCは伝導・放射ノイズの評価とフィルタ選定、シールド接地、盤内レイアウトが肝要である。熱設計では周囲温度・設置方向・放熱パスを確認し、余裕率を確保することが望ましい。配線長・終端処理・フェライトの適用は通信安定性に寄与する。