DCモーターの回転数を変えてみる

前のページでブラシ付きDCモーターで、加える電圧によって回転数が変わることをみました。

また、回転数を上げると電流量が増えるのですが、その時の電流と電圧の関係は、モーター自体の特性が関係するらしく、極限の使い方をしようとする場合は、個々に測定してみないとデータシートからは読み取れない感じでした。

回転数や方向の制御は、一般的には、別のページで紹介するモータードライバーを使うことも多いようです（→こちらで紹介）し、パルスを使った回転数の制御例もあるのですが、ここではごく単純に、可変電圧電源を用いて、特に、起動・停止時の様子がどのようなのか・・・を見てみます。

回転が止まっている状態から徐々に動かせたい場合や、徐々にスピードを落として停止させるには、適正電圧範囲外の「低い電圧」にすることになるのですが、そのときに、DCモーター特有の問題が内在しています。

動き始めと停止後の状態を確認してみます

ここでは、回転数を見るために、タミヤのギヤボックスに付属のFA130タイプのDCモーターを使って、起動・停止時の状態をみてみました。

タミヤのギヤボックスNo.167 　

これは、「タミヤ」の楽しい工作シリーズのNo.167シングルギヤボックスで、最高の減速比は344.2：1　ですので、これの回転数を見ることで、高いモーターの回転数が逆算しやすいと思ってこれを使用しました。

余談ですが、電子工作でも模型部品を使うことも多いので、タミヤのHPは目を通しておくと面白い製品が見つかるかもしれません。　何度も紹介していますが、リンクを張っておきます。

電圧を上げると回転数も上昇します

電圧と回転数の関係

このDCモーターは、1.5-3V程度が適正の電圧となっていますが、0Vからゆっくり電圧を加えていくと、0.4Vで動き始めます。　そして、この図のように電圧を高くすると回転数が上がっていきます。

ただし、ここでの問題点は、回転数がゼロの状態から、急に1900RPM（毎秒30回以上）で回リ始めるので、「徐々にスタートする」という状態にはならないのが難点です。

これがDCモーターでの困った点と言え、ロボットなどの微細な動きなどに使うのが不向きなところですね。

回り始めと停止の瞬間の変化を見ました

この、0Vから上げていって回転し始めるときと、0.4Vで回転している状態から電圧を下げていって止まったときの様子は次の表のようになっていました。

電圧と電流の関係

太字で示したように、止まっている状態から起動させるときには、止まっていても電流が流れており、それが電圧とともに増えていくのですが、回り始めた瞬間に電流値は通常値まで低下しています。

また、回転している状態から電圧を下げていくと、回転数と電流値は下がっていくのですが、停止した瞬間に負荷が増えて、停止していても電流値が増加することがわかります。

特に、動き出すとすぐに高回転をするので、DCモーターの電圧による単純な制御では、スムーズな起動・停止は思ったようにいかない感じです。

電流値で回転数を変えることも簡単ではなさそうなのですが・・・・

トランジスタを使って何かできないか？

トランジスタのページで試したように、電流増幅用のモノポーラトランジスタを使って、エミッタ接地回路でベースに加える電流値をボリュームを使って変えることで、100ｍA程度の電流を制御できました。

電圧と電流は相互の助け合いの関係があるので、制御ができるかできないかはやってみないとわかりませんので、やってみます。

上のギヤボックスについているFA130タイプは通常電流が100ｍAを超えていますが、手持ちのFA130は100ｍA以下で回転することから、この定電流で回転するモーターを、このHPでよく使うトランジスタ2SA1815を使って速度制御ができるのかどうかを試してみたいと思います。（2SA1815はコレクタ最大電流が150ｍAですから）

これまでの測定結果では「電流値と回転数の相関はない・・・」のですが、十分な電流を流すには相応の電圧が必要だという概念があります。

これを「助け合いの関係」と勝手に呼んでいる関係で、つまり、相応の電圧がかかっておれば、電流で回転数は変えることが出来るのではないかと考えて、実際にはどうなるのかを試してみたいと思います。

ただ、この実験結果でも、上で紹介した「回りはじめ」がスムーズな制御にはならずに、回り始めると1000RPM以上になってしまいました。　でも、トライすることは大事ですので、きっと何かのヒントにはなると思いますので、失敗談ですが、興味があれば最後までお付き合いください。

トランジスタを使った基本回路　　

手持ちのDCモーター（FA130）は、どうも純正ではなさそうですが、100ｍA以下の消費電流で、1.5～3Vでうまく回ってくれることから、トランジスタを使った基本回路で速度変化をさせることができる可能性があります。　下図が試験する回路です。

モーターを回す回路例

この回路は、LEDを使って明るさを変えたときと同じものです。
（→詳しい記事はこちらのトランジスタのページにあります）

2SC1815は、150ｍA程度までのコレクタ電流が流せますので、LEDをDCモーターに変えて、トランジスタのベースに加えるための抵抗（LEDのときには33ｋΩを使用）をボリュームで併用すれば回転を変えられるかもしれません。

LEDではコレクタ電流が20ｍA程度でしたが、モーターではコレクタ電流を100ｍA以上を流すので、ベース電流のための抵抗値を変更しています。

参考に、この抵抗値を計算します。　

これは「おさらい」として書いています。　計算の仕方を忘れた方は、こちらのページにありますし、わかっている方は読み飛ばしてください。

電流増幅率をデータシートある　100　とすると、コレクタに流したい電流が100ｍAでは、ベース電流を10ｍA程度流してやる必要があるので、可変抵抗の100ｋΩからアースに流れる電流は微小なので無視するとして、必要な抵抗値を求めると　・・・

R=E/I＝（5-0.7）/0.001＝4300Ω　になります。　しかし、ここで使用しているモーターは、電流が50ｍA程度もあれば充分回ってくれたので、ここでは、手持ちの　10ｋΩ　の固定抵抗器を使いました。

これでいいのかどうかを検算（逆算）をすると、I=E/R=（5-0.7）/10000＝0.43ｍAですので、増幅率が100であれば、0～43ｍAの電流が制御できることになります。（5ｋΩの固定抵抗にしたほうがよかったのですが、手持ちがなくて　・・・　このあたりの適当さはよく出てきますがご容赦ください）

最初に動かせる瞬間には、いろいろな不安がありますので、慎重にテスターなどで電流を測定します。　

もしも、異常な過大コレクター電流が流れるなら、モーターに直列に、電流制限抵抗を入れてやればいいでしょう。　念の為にこれを計算してみます。

この場合は、電源は5Vで、モーターの適正電圧は1.5～3Vですので、抵抗器によって2Vを低下させて100ｍAを流してやればいいので、　R=E/I　＝2/0.1＝20Ω　で、P=I²・R ＝0.2W　で、1W程度の抵抗を使えば十分です。

以上、今までのおさらいを兼ねての計算ですが、このあたりは計算に慣れて来ましたか？　何回か自分やってみると計算できるようになってくればしめたものだと思います。

これをブレッドボードに回路を組みます

ブレッドボードに組んでみた

ベース電流とモーターにかかる電圧、モーターに流れる電流をテスターを利用して測ります。　テスター2つで、別々に測りました。

測定中

テスターのマイナス表示は気にしないでください。デジタルメーターは正逆を間違えても、このように表示されて便利なので、こんなズボラなことをよくやってしまうのですが、・・・。

結果1

結果的には、電圧を変えると回転数が変わるのがわかります。　ここでは電流量で表しましたが、回転中の速度調整はこの回路を使えば、ボリュームを回すことでできることがわかりました。

しかし、モーターが止まっている状態でボリュームを徐々に回していっても、ベース電流はどんどん上がるのですが、モーターが回ってくれません。

この時、モーターは止まったままなので、モーターにかかる電圧が「0」です。　つまり、電圧がかからなければ、電流が流れないでモーターが回リません。　

そこで、このときに、手で少しモーターを回してやると、ベース電流に見合った電圧が加わって、にモーターは一定回転になります。

・・・　しかし、これは問題です。

無理に回すろ、高回転で回り始めるのですが、電流値を下げて速度を落とすことはできます。

ボリュームによって徐々にコレクタ電流を高めるのではなく、いっきにモーターに1.5V程度を加えれば、手で回さなくても確実に回ってくれるのですが、電流を徐々に加える方法では、当初は電圧が低いので、トルクが不足して回り始めてくれない・・・という理由のようです。

やはり　DCモーターの特性が邪魔をしてしまっています。

ここでの電気の流れは「水流」に例えられるのですが、電圧がかかっていなければ電流が流れない・・・という、まさにこの状態がこれです。

ある電流を流そうとすると、それに見合った電圧が必要になりますから、結局、電流制御のトランジスタ回路で起動時の回転をコントロールするのはうまくいきませんでした。

余談ですが、低速から回す方法は？

アナログ的？　に、定速からモーターを回す方法の一つに、電流パルスを加えて制御する方法があります。

秋月電気さんから、「PWMスイッチングDCモーター速度可変セット」が販売されています。　写真のようなものです。（→こちらのページでも紹介しています）

モーターの速度可変

これは、タイマーIC「555」を使って、発振波形のデューティ比を変えることで速度を変える仕組みですが、出力された波形の電圧をオシロスコープで見ると、最大値が10V以上あるのですが、周波数が10ｋHz以上なので、モーターがそれに追従しないで、見かけの電圧が3V程度以下になることで100RPM程度のかなり低速度からモーターが回り始めるようです。

パルス形状を変えることで速度調節

パルス電圧を高くできる有利さ

また、その他には、マイコンを利用して、パルスの状態を変える方法で、同様に速度調節することが一般的に行われています。

これは完全にデジタルの領域ですので、ここでは取り上げませんが、これも上の555タイマーを使った場合と同様で、モーターに充分な電圧がかけられるので、電流で速度が変えられる・・・ということなのでしょう。

電圧制御できるFETは使えるかも？

モータードライバーには、電流を制御するTTLではなく、電圧を制御するFETを使ったものがありますので、それも試してみる考え方もあるかもしれませんが、DCモーターは、回り始める瞬間が大きな負荷がかかっており、一旦回リ始めると高回転になる性質は変えられないので、このFETを使った方法でも、あまり期待はできそうでないので、これは試さずに、深入りしないことにします。

今回さらに、コンプリメンタリペアのバイポーラトランジスタを使って「正逆回転」させることを考えていました。

しかしこれも、DCモーターでは上記の特性があるので、ゼロからのスムーズな起動停止は難しいと考えて、イメージだけを示しておきます。　

ごく低速度での起動停止でなければ通常のモータードライバーと同じで、問題なく正逆転できると思うので、興味ある方はやってみてください。

考えていた正逆回転回路　【参考アイデア】

この考え方は、電源を2つ用意して、さらに、コンプリメンタリ・ペアのトランジスタを用いることで電流の方向をボリュームによって変えようというものです。

一般的には、市販のモータードライバーのように「Hブリッジ回路」にするやり方が多いのですが、NPNとPNPを使って、さらに回転数の調節を考えると、こんな方法もあります。

コンプリを使った回路例

コンプリメンタリ・ペアとは、特性のよく似たNPNとPNPトランジスタの組み合わせのことですが、今まで使っている2SC1815に対しては、（カタログにも書いていますが）　2SA1015が対応しています。（この場合は、150ｍAの電流量制限に注意してください。無理なら、別のトランジスタに変えなければなりません）

この図は書きやすいように、コレクタ接地になってしまいましたが、エミッタ接地にしてもいいでしょう。

イメージですので、全く、回路を組んで確かめていません。

＊＊＊＊＊

その他のやってみたいこともあります。　例えば、極性のない容量の大きめのコンデンサを入れて電気をためてやることで起動を助けてやったり、あらかじめ一定の電圧をかけておいて起動を助けることや、手動のスイッチと速度調整を分けて行い、スイッチで回転方向を切り替えるようにしておいて、起動時はモーターが回転する最低電圧が加わってすぐに回転をさげるようにするとか、・・・・

これらはいずれゆっくりと考えるとして、DCモーターをゼロからスムーズな回転変化を与えることは難しいことがわかりましたので、ともかくここで、いったん中断して、モータードライバー（製品）を使って、制御の様子などをみてみることにします。

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