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発行済み 2026-04-06
この記事では、標準を制御するためのパルス幅変調 (PWM) の基本的な動作原理について説明します。サーボモーター。単純に変化するパルス信号がどのようにして変化を決定するかを学びます。サーボのシャフト位置。ロボット アームや遠隔操作 (RC) 車両などの一般的な実世界の例を使用します。ブランド名や企業名は言及されておらず、すべての情報は趣味および産業向けに広く採用されている業界標準に基づいています。サーボシステム。
パルス幅変調 (PWM) は、位置コマンドを繰り返しデジタル信号にエンコードする方法です。サーボ モーターは PWM を使用します。これは、必要な制御線が 1 本だけであり、信頼性が高く、マイコンで簡単に生成できるためです。
PWM 信号には 2 つの重要な特性があります。
期間– 1 回の完全なオンオフ サイクルの時間。
パルス幅– 各期間中に信号が High (オン) を維持する期間。
標準的なサーボの場合、パルス幅は出力シャフトの特定の角度位置に直接変換されます。
従来のほとんどすべてのサーボは、同じ PWM 規格に従っています。
重要：パルス幅によって角度が決まりますが、周期は 20 ms で一定のままです。サーボは次のパルスが到着するまでの残り時間（オフ期間）を無視します。
標準的なサーボの内部には、小型の DC モーター、ポテンショメータ (フィードバック センサー)、および制御回路があります。段階的なプロセスは次のとおりです。
1. 制御回路は PWM 信号を受信します。
2. 入力信号のパルス幅を測定します。
3. そのパルス幅と現在のシャフト位置 (ポテンショメータによって報告される) を比較します。
4. 差がある場合、回路は DC モーターを駆動して、位置が指令されたパルス幅と一致するまでシャフトを回転させます。
5. サーボは、同じパルス幅が 20 ms ごとに繰り返される限り、その位置を保持します。
基本原則: パルス幅はターゲット角度に等しくなります。パルスが広いほど、シャフトは一方向にさらに回転します。パルスが狭くなるほど、反対方向に回転します。
趣味の人が 3 関節ロボット アームを組み立てています。ベースジョイントは標準サーボを使用します。アームを時計回りに 30 度回転させるには、マイクロコントローラーは 20 ミリ秒ごとに 1.0 ミリ秒のパルスを送信します。反時計回りに 150 度回転させるには、2.0 ミリ秒のパルスを送信します。アームは各位置にスムーズに動き、軽いものを運ぶときでもしっかりとホールドします。
RCカーでは、サーボが前輪を制御します。送信機のステアリングホイールが中心にあると、受信機は 1.5 ミリ秒のパルスを出力します。つまり、車輪は真っ直ぐを指します。ホイールを左にいっぱいに切るとパルスが 1.0 ミリ秒に減少し、ホイールが左停止方向にステアリングされます。右に完全に回すとパルスが 2.0 ms に増加し、右に停止します。ドライバーは、瞬時に比例したステアリング応答を体験します。
サーボ モデルによって範囲は若干異なりますが、一般的な関係は次のとおりです。
線形関係:1.0 ms と 2.0 ms の間では、角度は直線的に変化します。たとえば、1.25 ms では約 45°、1.75 ms では約 135° になります。
最小パルス幅:0.5 ms より短いパルスを送信すると、動作が不安定になったり、動かなくなったりすることがあります。
最大パルス幅:2.5 ms を超えるパルスはサーボを機械的限界を超えて駆動し、内部ストッパーを損傷する可能性があります。
信号周波数:サーボは 50 Hz 信号 (20 ms 周期) を想定しています。より高い周波数 (100 Hz または 300 Hz など) は特別な「デジタル」サーボで使用されますが、標準のアナログ サーボでは過熱またはジッターが発生します。
電圧：ほとんどの標準的なサーボは 4.8 V ～ 6.0 V で動作します。電圧が低いとトルクが低下します。電圧が高くなると、制御回路が破壊される可能性があります。
> 標準的なサーボ モーターのシャフト位置は、信号が 20 ms ごとに繰り返される場合、PWM 信号のパルス幅によってのみ決定されます。パルス幅を変更すると角度が変わります。パルス幅を一定に保つことで位置が保持されます。
これは覚えておくべき最も重要な概念です。サーボはデューティ サイクルのパーセンテージを考慮せず、ミリ秒単位の絶対パルス幅のみを考慮します。
上記の原則に基づいて、次の実際的な手順に従って、サーボ システムが正しく動作することを確認してください。
1. 正確な 50 Hz (20 ms 周期) PWM 信号を生成– マイクロコントローラーで専用のサーボ ライブラリまたはハードウェア タイマーを使用します。タイミング ジッターの原因となるソフトウェア遅延を回避します。
2. ニュートラルパルス(1.5ms)から開始– 負荷を取り付ける前に、1.5 ms パルスを送信します。これによりサーボが中心に配置され、突然のジャンプが防止されます。
3. パルス範囲を 1.0 ms ～ 2.0 ms に制限します– これは、ほとんどのサーボの安全な機械的移動を考慮します。シャフトを観察しながら、1.0 ms から 2.0 ms までゆっくりと増加させて、特定のサーボの正確なエンドポイントをテストします。
4. サーボ用電源は別途用意してください– サーボは動作中に 0.5 A ～ 2 A 以上を消費する可能性があります。マイクロコントローラーの 5 V ピンから直接サーボに電力を供給しないでください。
5. 大きなコンデンサ（1000μF以上）を追加してくださいサーボ近くのサーボ電源ライン全体で電圧スパイクを吸収し、リセットを防ぎます。
6. 少なくとも 20 ミリ秒ごとに信号を更新します– PWM 信号が停止すると、ほとんどのサーボは最後の位置を保持しますが、緩む可能性があります。常に連続パルスを送信してください。
7. 各サーボを個別に校正する– 製造公差により、同じモデルの 2 つのサーボの 0° と 180° のパルス幅がわずかに異なる場合があります。正確な最小値/中心値/最大値を見つけるためのキャリブレーション ルーチンを作成します。
サーボ モーターの PWM 制御は、パルス幅が角度に等しいという単純な関係に基づいた堅牢な業界標準の方法です。 20 ミリ秒の固定周期で、ハイタイムを 1.0 ミリ秒から 2.0 ミリ秒まで変化させると、シャフトが 0° から 180° まで回転します。ロボット アームや RC 車両などの現実世界のアプリケーションは、この原則に日々依存しています。推奨される信号仕様を遵守し、上記の実行可能な手順に従うことで、独自のプロジェクトで正確で再現性があり、信頼性の高いサーボ位置決めを実現できます。
更新時間：2026-04-06
