楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

DCモーター用のドライバー

  

長い文章です。パソコンでお読みいただくことをおすすめします。

モータードライバーは、モーターの回転方向を変えたり、回転数を変化させることができるような機能をIC化した部品で、DCモーター用以外にも、ステップモーターや交流モーター用など様々なものに対応した製品があります。

ここでは、電子工作に用いる小型のDCモーターに関係あるものを取り上げます。

DCモーターで回転速度、回転方向を簡単にそして自由に制御できればモーターの使い方が広がリます。

DCモーターの回転方向を変えるためには、前のページ(こちら)で紹介したような ①2つの電池(電源)の極性をスイッチで切り替える方法  ②1つの電源で2回路2接点のスイッチ(中立付き)を使って切り替える方法  ③スイッチ等で「Hブリッジ回路」を使う方法・・・ などを紹介しました。

回転速度は、基本的には電圧を変化させて制御するのですが、モーターの性能上で制御範囲が限られており、モーター単独での超低速の制御は難しいということも見てきました。

それらはモータードライバーを使うとどうなるのかをみていきます。


DC用モータードライバーとは

回転方向を変える方法については、モータードライバーの多くは、上の ③Hブリッジを用いて無接点で制御する方法が主流で、あとで説明しますが、規定の電圧をドライバーICの制御用端子に加えるだけで、無接点でモーターの回転方向を変えることができるようになっています。

さらに、DCモーターでは苦手なブレーキをかけた状態を作り出すことができます。(もちろん、電気的なブレーキなので、大きなブレーキ力は望めません)

しかし、もう一つの、DCモーターの回転速度を変える方法については、前のページ(こちら)でみたように、供給電圧・電流を変えるだけではそんなにうまくいきません。

可変電圧の電源は大層ですし、例えば、モーターに可変抵抗を直列することで、電圧・電流が変化するので、ある程度の速度が変えることができますが、抵抗で電圧降下させると発熱するので、効率も悪いのであまり好ましくありません。

モータードライバーに速度調節機能があるものがあり、それを使うと速度調節が比較的簡単です。

一般的には、発振パルスによるPWMと呼ばれる、パルス幅を変えて速度を変える方法を用いた回路が付随しています。

ただ、アナログ回路でパルスを使うとなると回路用の部品等が増えるので、他の機能を合わせてデジタル(例えばマイコンなど)で処理する方法のほうが扱いやすいこともあって、一般的にはマイコンを使ってモータードライバーを使う記事が多いのはそのような理由でしょう。

下のモータードライバーDRV8832のように、パルス入力を意識しなくても、ボリュームを回して速度の調節ができるものもあります。

このHPはアナログ中心に紹介していますので、アナログ+DCの範囲を離れないようにして、このモータードライバーDRV8832について見ていきます。


先のページで見たモーター特性の図をもう一度見てみましょう。

モーターの特性図(イメージ)

この図は、平易に言うと、①負荷が増えると電流を食う(電流が増える) ②負荷が増えると回わりにくくなる ③回転数が下がると回りにくくなる ④電圧を下げると回転数が下がる などを示しています。

つまりここでは、DCモーター単独で回転数を変えるには、モーターに加える電圧を下げればいいのですが、そうすると、回転力(トルク)も低下してきます。

実際にやってみるとわかりやすいのですが、加える電圧を、高い回転数の状態から徐々に下げていく場合には、回転の慣性もあるので結構低速まで落とすことができますが、低い電圧から上げていってモーターを回転させようとすると、回転に必要なトルクを得る電圧まであげないと回転しにくいことが感覚的にわかります。

下で実験していますが、無負荷の場合は(モーターによるのですが) 低い電圧から始動しますが、少し負荷のかかった使用状態では、起動時の電圧がある程度高くしなければ回り始めないし、回転する電圧になって回転し始めると、急に(例えば、1000RPM以上の)高速で回り始めるので、「ゆっくりと回り始める」と言う感じにはなりません。

このために、一つの方法として採用されている「PWM(パルス幅制御駆動)」という方法があります。

これは、電圧(電流)をパルス状に加えることで回転を制御しようというものです。

パルス形状による速度変更の考え方

この図はイメージですが、このようなパルス幅(周波数)を変えることで、モーターの摩擦などの要素もあるので、一定時間後には、ペルス条件に応じたある回転数に落ち着く様子を示しています。

速度を調節しようとすれば、パルス幅(周波数)を変えるか、デューティ比(1周期内のON-OFF割合)を変えればそれが可能になります。(後半で少し説明しています)

この方式の利点は、3V駆動のモーターであっても、パルス電圧(Vpp)を、たとえば10Vと高く取れることで、電圧が高いと電流の余裕ができて、トルクが高く取れることにあります。

もちろん、パルス電圧を高くしても、見かけの平均電圧はその数分の一なので、モーターにダメージを与えることなく、数100RMPというような低い回転数でモーターを回すことができます。

パルスは電圧を高くできる点が有利(この図は再掲しています)

しかし、これをアナログ的に行わせるのは簡単ではありません。

そのために、モータードライバーを用いて、マイコンなどによって、他の機能を含めて、デジタル的にパルス制御で速度を変えているのが一般的です。

逆に、アナログ的な使い方で「そこまで複雑な回路を付加して速度を落とす必要があるか?」ということですが、低速になるとトルクが落ちるので、通常は、ギヤーセット(減速ギヤ)などで回転を落として使用するほうがパワーもありますので、交流モーターと同じように、特殊な使い方以外は速度調節は使いにくい感じがします。

このようなことから、あまりアナログでのDCモーターの速度制御というのが取り上げられていないのかもしれませんが、そういう背景を含めて、速度調節を含めて、例を上げて「モータードライバー」を見ていきます。

DC用モータードライバーの例

モータードライバーの例

私の手元にあるモータードライバー製品の一例です。ここでは、アナログDCで使用することでみていきます。

真ん中のDRV8832には速度調節機能がありますが、他の2つはそれがないタイプで、ON・OFF・正逆転の機能があり、それが無接点でできるようになっています。

真ん中のDRV8832では、VREF・VSET という端子を用いて速度調節をしますが、最も簡単な方法では、ボリューム(可変抵抗器)をつけることで速度調節ができます。

もちろん、デジタル回路で、パルスを用いて駆動する方法がよく使われるのですが、ここでは、アナログ的に正逆回転、ストップの動作に加えて速度調節する1例を紹介します。

DRV8832拡大

これは秋月電子さんが販売しているDRV8832のモジュールです。

次のページで右側の非常に小さなドライバーNJU7386を紹介していますが、実装タイプのパッケージのICは小さすぎて「はんだ付け」が難しいので、このようにモジュール化されたものは使い勝手がよく、喜ばしいものです。(価格も200円台でした)

ここでは10kΩの半固定抵抗を使って行う例です。

(測っていませんが)VREF-VSET間の電流が少ないので、10kΩ以外でも問題ないはずです。

DRV8832を使った回路例

ここでは、IN1・IN2の「1」はプラス電圧をかけることで、電源電圧5Vをそのまま加えるといいでしょう。(DRV8832の作動範囲は2.75~6Vです)

「0」はGNDに接続することです。 このように、どちらかの端子に電圧をかけると正逆転させることができます。

また、OUT側の「H」は「電圧が出ていること」で、LはGNDレベル、Zはフリーな状態ということを表しています。

これをブレッドボードに配線して、モーターの代わりにテスターをつけて電圧を測りました。

モーターをテスターに変えて出力電圧測定

回路拡大

表のIN1・IN2にのどちらかに5V(実測値4.95V)をかけてボリュームを回すと、出力側では+0.15V~+4.95Vで正転し、反対にすると、-0.15V~-4.95Vの電圧がでていますので、これで正逆転と速度のコントロールができていることがわかります。

INの切り替えには、切り替えスイッチを使えば問題ないでしょう。

多くのモータードライバーは「動作電源電圧の範囲」が指定されていますが、電源電圧が出力電圧に関係するので、モーターの常用電圧にも注意しておく必要があります。

このドライバーDRV8832は入力電圧が3~6V程度になっていますので、3Vのモーターを使うのであれば、モーター保護のために、モーターに合わせた3V程度の電源電圧にするか、固定抵抗を10kΩに直列して、高い電圧が出ないようにすることも安全策として考えておくといいでしょう。

さらに、注意点としては、回転をかえるときには、少し時間をとってやらないと、モーターに異常な力や電流が流れるので注意が必要です。

これは、モータードライバーを使わないでスイッチで逆転させる場合も同様で、正逆転時に大きな電流が流れるので、回転が落ちるまでのインターバルを取るようにし、急な正逆転は避けるようにしましょう。

また、ここでは、模型や電子工作でよく使うFA130やRA280などの小さなモーターですので、1A程度の電流では発熱などの問題もないのですが、たくさんの電流に耐えるモータードライバーは高価になりますし、発熱対策が必要になるものもあります。 

今回のDRV8832にある「FAULTn端子」を使って電流制限ができる便利な機能のようですが、今回は使っていません。


上の写真の左側のモータドライバー TK8428K は、ブレッドボードやユニバーサル基板には使いやすい形状です。 

このTK8428Kはすでに旧型番となっており、互換品があるようですが、この場合でも、「DCモーター用」「電源電圧」「モーター電圧」「モーター電流」をチェックして使えるかどうかを見ておけば、特に問題は生じないでしょう。

ただ、WEBでモータードライバーを見ると、非常に小さい実装部品用のものが多いようです。 このように小さいと、通常のはんだ付けでの工作は無理です。

写真の NJU7386 は、単体では小さくて、はんだ付けが困難ですが、モジュール化用の基板が販売されているので、それを 次のページで使用例を紹介していますので参考にしてください。

モータードライバーを使う長短所

私がやろうとしている電子工作の程度では、回転を落とすのであれば、トルク面でも有利なギヤーによる減速のほうが実用的ですので、私自身は、特にモータードライバーを多用することは少ないと思っていますが、無接点で電気的に操作することで、いろんな使い方が広がるかもしれません。

モータードライバーをアナログ回路でDCモーターの制御に使う場合に、①無接点にしたい ②回路をコンパクトにしたい  ③いろいろな保護回路や警報回路が内蔵されている 

などのメリットがあリます。さらに、ここで示したものは安価です。

しかし、ユニバーサル基板に組み付けるとすると、逆に、(A)小さくて取り扱いにくい  (B)余分な費用がかかる  (C)使い方がわかりにくい・・・などのデメリットもあります。

次に、モータードライバーとは別に、秋月電子さんからタイマーIC「NE555」を使った、スイッチングによるDCモーターの速度調節キットについてかんたんに触れておきます。

スイッチングによるモーター速度調節

秋月電子さんから、「速度可変キット」が販売されています。500円と安価で組み立ても楽しめますので、興味ある方はチェックしてみてください。

速度可変キット

組み上げ後の写真

回路的には、下側のNE555のデータシートにある回路とよく似た回路で構成されており、タイマーIC(NE555)を使って方形波を発振させて、FETを使ってモーター電流を制御しているという回路構成で、非常にシンプルなものです。 9Vで作動させるようになっています。

下の回路図はキットに添付されていた回路図で、下側に示した回路図はNE555タイマーICのデータシートにある推奨回路例です。

メーカーの回路図

秋月電子さんの製品を組み立てました。 うまく構成されており、確実に動きます。その様子を見てみましょう。

秋月電子さんの回路では、上のNE555の基本回路の固定抵抗RAをボリュームにすることで、デューティ比を変えて速度をコントロールしています。

この場合も、モーターに電圧がかかりすぎないように、回転状態に注意してください。

お城を使って、回転数測定

波形1

波形2

上が低速回転のときで、下が少し回転を上げたときのオシロスコープの波形とデータです。 

少しノイズをひろっているのは無視してください。 ボリュームを右に回していくと、デューティ比が上がり、電流量が増えて回転数が上がるのですが、画面の出力電圧(山の高さ:Vpp)、発振周期(T)は回転数とともに増えています。 周波数(F)は回転数を上げるとそれは下がっていくようです。

モーターにかかる電圧は、Vpp(例えば13Vなど)の全部がモーターにかかっているのではなく、上で見たようにパルス電圧のために平均化されて、見かけの電圧はその何%かに低下しているので、モーターが焼け切れることはありません。

ボリュームを左に絞っていくと、モーターは毎秒1回転程度の超低速で回りますし、右に回すと通常の高速回転します。

以上、何か参考になりそうな内容であれば、是非試してみてください。

次に、DCモーターは超低速になると回転力が低下するので、使い勝手は悪いのですが、その時の様子がどうなっているのかを見てみました。

モーターへの電圧と回転数

手持ちのモーターについて、①回り始めと回転が止まる時の電圧 と、 ②電圧と回転数の関係を調べてみました。

回り始めるときに「電気を食う」ということもよく言われています。

このFA-130などのDCモーターは、通常の適正電圧は1.5~3V程度ですが、ここでは、まず、3つのモーターをつかって、0ボルトから電圧を上げていき、「モーターが回り始める電圧」と、1.5V程度で安定して回っている状態から徐々に電圧を下げていって「回転が停止する電圧」を調べました。

回り始めと止まる直前の電圧比較

結果では、

1)回り始める時の電圧のほうが停止直前の電圧よりも高い
2)モーターの違いによって回転停止時の測定された電圧が非常に異なる
3)回転方向でそれらの電圧値が異なる

ということがわかります。

これは純正とノーブランドの違いなどではなくて、手持ちのモーターでは、たまたまこうなった・・・というだけの数字とみておいてください。

これは無負荷の条件ですので、負荷がかかっていると「もっと回りにくく止まりやすい」という傾向になると予想されます。

さらに、回り始めと回った直後のモーターに流れる電流量を見ますと、次のように、止まっているときには大きな電流がコイルに流れていることがわかります。

同 電流比較

以上からは、いろいろなモーターを停止状態から徐々に回し始めたり、超低速で指定の回転数で安定的に制御することは、意外に難しいことがわかります。

次に、電圧と回転数の関係を調べてみました。

回転計の変わりに、タミヤ製のギヤボックスに付属しているモーターを使って、ギヤで減速した回転数からモーターの回転数を出してみました。

 

このモーターもFA130タイプのノーブランド品ですが、上のノーブランドの2つとも若干違う感じです。

ここでわかることは、0.3Vでモーターが回り始めたのですが、回りはじめの回転数は、結構「速い」ということです。 

さらに、最高回転数の数字はマブチモータのデータシート(Max12000RPM程度)よりも高い回転数になっている点を見るとこの数字の信憑性は高くありませんが、それでも、回りはじめで1000回転以上になっているようです。

この数字は、単に、一定時間の減速軸の回転数をカウントして、それにギヤ比をかけただけのものですので、値はいい加減かもしれませんが、 ①電圧が下がると回転数が下がること、 ②止まりかけの最低回転数も大きいこと・・・が類推できます。

この減速機を使えば、回転は1/344程度に落ちますので、小さなモーターでも、かなりのパワーがあります。

DCモーターを単純な電圧電流変化をさせるだけでは回転速度の調節は難しい点もありますが、このようなギヤーを併用すると、いろいろなことに使えそうですね。


→ モータードラーバーNJU7386の使用例

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