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

  

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。

そして、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、強力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かないようです。

DCモーターの回転速度を変えるのは、供給する電圧を変える方法が一般的ですが、連続的に電圧を変えることは費用や効率を考えると難しいですし、その他の方法として、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なども考えられます。 

しかし、抵抗を使うと、電圧降下分のエネルギーが発熱するので、効率も悪くなるのであまり好ましくないので、PWMというパルス制御を用いたモータードライバーを用いることが多く行われます。

モータードライバーは回転方向を制御できるだけのものに加えて、速度調節機能があるものがあり、さらに、その他の状況監視機能などが一体化されているものがあります。

このPWMは、発振パルスのパルス幅を変えて電圧電流値を制御することでDCモーターの速度を変える方法です。

ただ、アナログ回路でパルスを使うには、回路を構成するための部品数が増えるので、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から、一般的にはマイコンを使ってモータードライバーを利用してコントロールさせる記事が多いのはそのような理由でしょう。

しかし、とくにデジタルを意識する必要はありません。 下のモータードライバーDRV8832のように、制御の理屈などを意識しなくても、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、デジタル的にならないようにして、まず、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るのが手っ取り早いのですが、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ときには、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。(→前のページでも説明しています

下でも実験していますが、無負荷の場合は(モーターによるのですが) ある程度低い電圧から始動します。 しかし、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」と言う感じにはなってくれません。



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)」という方法です。

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、このような電圧とパルス幅(周波数)を変えることで、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、パルス高さ(電圧)とパルス幅(周波数)を変えるか、または、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 などのように、かなり高い電圧が使えるために、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かなり低い状態となって、加える電圧の数分の一になっているように振る舞うので、モーターに高電圧の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し始めることができます。

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)

ただ、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によって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るので、交流モーターと同じように、一定の回転で使うことが多く、DCモーターでゼロ速度から低速の速度を変えるのは特殊な使い方のような感じがします。

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、ここでは、デジタル的なものと意識しないで、アナログDCで使用するものとしてみていきます。

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は、VREF・VSET という端子を用いて速度調節をします。 最も簡単な方法では、ボリューム(可変抵抗器)をつけることでそれを回して速度調節ができます。

もちろん、ドライバー製品を使わないで、デジタル回路でパルス駆動する方法もよく使われるのですが、ここでは、ドライバー製品を使って手動で(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例を紹介します。

DRV8832のモジュール

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。 ドライバー自体のICは小さいために、電子工作で取り扱うには、このようにモジュール化されておれば非常に使いやすくて便利です。

次のページでは、非常に小さなドライバーNJU7386を紹介していますが(上の写真の右側)、実装タイプのパッケージのICなので、小さすぎて直接に「はんだ付け」するのが難しいので、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。(価格もこのモジュールで200円程度でした)

ここでは10kΩの半固定抵抗を使って動作している例です。

(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)

もう一方の 「0」 はGNDに接続することを表しています。 

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ることがわかります。

INの電圧を切り替えて加えるのには、切り替えスイッチ(スナップスイッチなど)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。 これは、電源電圧が出力電圧に関係するためで、モーターの常用電圧にも注意しておく必要があります。(高い電圧を加えるとモーターが焼損します)

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に直列するなどの対策をして、高い電圧が出ないような安全策を考えておきます。

さらに、注意点としては、回転をかえるときには、少し時間をとってゆっくり変化させるようにしましょう。 

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ために、回転を変えるときには、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を使っているので、少ない電流で発熱する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を使おうとすると高価になるので、電流による発熱対策が必要になる場合は注意する必要があります。 

楽天トラベル

今回のDRV8832には、「FAULTn端子」を使って電流制限ができる便利な機能があるようですが、私自体が使い方がよくわからなかったので、ここでは使っていません。すみません。

次に、使いやすい形状のものを紹介します。

TK8428K

上に示した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、TB6643などで同形状のものなどを探すといいでしょう。 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。


WEBでモータードライバーを探すと、非常に小さい実装部品用のものが多いようです。 このように部品が小さいと、通常のはんだ付けでの工作は無理ですが、例えば、写真の NJU7386 は、単体では小さいのですが、秋月電子ではモジュール化用の基板があるので、それを使って、 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と思っています。 そのために、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のですが、モータードライバーを使うと、無接点で電気的に操作できるので、いろんな使い方が広がるでしょう。

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。

ただ、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、前のページでも少し紹介したのですが、モータードライバー製品ではないのですが、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が販売されています。 これは結構低速での起動停止で使えますので、かんたんに紹介しておきます。

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円と安価ですし、組み立て工作も楽しめますので、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、写真のように非常にシンプルなものです。 これは 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、その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。 うまく構成されていて確実に動きます。

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をボリュームに変えて、それによってデューティ比を変えて速度をコントロールしています。

もちろん、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 写真では11.13V、13.28Vとなっていますが)、発振周期(T)は回転数が上がると増えているのが確認できます。

この、モーターにかかる電圧 Vpp(例えば13Vなど)の全電圧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、パルス電圧がこんなに高くても、3V用の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。

なにかに使えそうならチェックしてみてください。

以上ですが、次のページでも、もう少し、モータードライバーについて取り上げています。


→ モータードラーバーNJU7386の使用例

→ INDEX(目次)のページへ



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