ArduinoとモータドライバICによるDCモータの駆動制御

2020.09.04
記事内に広告が含まれています。

久しぶりの電子工作ネタ．

Lチカやシリアル通信もいいけど

電子工作をやるなら，やっぱり動くもの（モータ）を自由自在に制御してみたい．

ということで今回は，

  • Arduino
  • モータドライバIC

を使って，マブチモータ（理科の実験とかで使うDCモータ）の制御をやってみた．

アナログ回路だとインバータやフィードバック制御が必要になるけれど，モータドライバICを使えばとても簡単にモータの制御（正転／逆転／ブレーキ）ができた．

スポンサーリンク

モータの制御

今回制御するのが，ラジコンや模型でよく使われている，工作用DCモータ．「マブチモータ」という名前は，割と聞いたことがある人も多いのではないのだろうか．DCモータなので，乾電池を繋ぐだけで簡単に動かすことができる．

マブチモータの種類など，詳しい情報は以下のページが参考になる．

マブチモーターのKidsサイト Let's Motorize!
モーター工作と仕組み、一般向け店頭製品をご紹介！マブチモーターのKidsサイト Let's Motorize!
www.mabuchi-motor.co.jp

今回使ったのは「FA130」というモデル．
これを，「正転／逆転／ブレーキ」させることが目標．

モータの正転・逆転・ブレーキ

正転／逆転は，電池の向きを逆にして電流を流す向きを変えれば，簡単に変えられる．しかし，それでは「制御した」とはとても言えない・・・．

また，電池とモータを離せば「ブレーキ」じゃないか・・・？とも思うけど，それはただ単に惰性で止まっているだけで，電気的にブレーキがかかったことにはならない．

＊

じゃあどうやって制御すればよいのか？

大学の講義で習った制御方法のひとつに，「ハーフブリッジインバータとフィードバック制御回路（PI制御など）」という方法がある．

ハーフブリッジインバータというのは，ごく簡単に説明すると

スイッチ（トランジスタ）を入れたり切ったりすることで，モータに流れる向きを変えて正転／逆転を制御する

という目的をもつ回路構成．

また，フィードバック制御は，ブレーキをかけるための回路．
回転数をモータから読み取り，回転数指令値とコンパレートして，トランジスタの駆動信号を変える．

具体的な回路例は，以下の通り．

引用＝古橋武：「パワーエレクトロニクスノート 工作と理論」，コロナ社，p.133 (2018)

ただし，この回路では多くの部品点数が必要となる．

モータを制御するために，これだけの部品を組み上げるのは面倒．．．

もっと簡単な回路で制御できないだろうか？

そう思って，いろいろ調べてみると「モータドライバIC」という便利なものがあることを発見した．

モータドライバICって何？

まず，以下のページを読むと，モータドライバICの利点がわかる．

https://lab.fujiele.co.jp/articles/7058/
lab.fujiele.co.jp

先に述べたような回路の場合，目的の制御をするのに多くの部品が必要となる．また，抵抗やトランジスタなどの素子がもつ特性に気を配り，保護対策も自分で行わなければならない．

一方，モータドライバICでは，少ない部品・実装面積で制御が可能．しかも，IC内部に保護機能を持っている．

モータドライバICを使えば，簡単・手軽にモータの制御ができるというわけだ．

 

今回使用するモータドライバICは，秋月で購入した．

ＴＢ６７Ｈ４５０モータドライバモジュール: 組立キット 秋月電子通商-電子部品・ネット通販

なお，上記モジュールははんだ付けによる組み立てが必要．自分用の半田ごては持っていなかったので，これも併せて購入した．はんだ付けにあたり買ったものは以下の通り．

  • 半田ごて
  • こて台
  • はんだ
  • はんだ吸い取り線
  • ピンセット

ピンヘッダをドライバモジュールに差し込んで・・・

はんだづけすると，以下のような形になる．

これで，ブレッドボードにぶすっと差し込んで使うことができるようになった．

はんだごては，電子工作を本格的に進めていくなら持っておくと便利．ブレッドボードから一歩進んで「基板へのはんだづけ」や，素子の組み立てができるようになる．

モータドライバモジュールの使い方

今回使うモータドライバモジュールの動かし方は，秋月の製品ページに掲載されている「アプリケーションノート」に詳しい．

http://akizukidenshi.com/download/ds/toshiba/TB67H450FNG_application_note_ja_20190510.pdf

アプリケーションノートの概要には以下の通り記述されている．

TB67H450FNG は、PWM チョッパ方式の DC ブラシモータドライバです。
モータ出力部を 1 チャネル内蔵しています。
低 ON 抵抗の MOS プロセス、および PWM 駆動方式の採用により高熱効率駆動が可能になります。
また、IN1、IN2 の 2 つの入力信号により、正転/逆転/ショートブレーキ/ストップの 4 モードを選択できます。

つまり，PWM信号をIN端子へ入力することで，正転・逆転・ブレーキができる，ということだ．

IN（入力）に対する，OUT（出力）の信号は以下の表の通り．

TB57H450FNG 入出力ファンクション

IN1，IN2は２つある入力端子を，L，Hは，PWM信号のLOW，HIGHを示している．

たとえば正転モードは，「IN1＝HIGH・IN2＝LOW」と入力すればよい．OUT1とOUT2の間に接続されたDCモータへ電圧が印加され，モータが正転する．

ハーフブリッジインバータ回路と比較すると直感的で簡単だ．PWM信号を入れれば，正転／逆転／ブレーキに必要な信号の出力は，全部ICがやってくれる．

また，モータを駆動する電圧(Vm)も「4.4V～44V」と，幅広い電圧を入れることができる（たとえば鉄道模型だと１２V  くらいらしいので，このモータドライバでも動かせることになる）．

PWM信号はArduinoから入力する

さて，モータドライバICへ入力するPWM信号はどうやってつくればよいのか？

アナログ回路の組み合わせでつくることも，もちろんできる．

でも，Arduinoを使えば，もっと簡単にPWM信号を出力できる．Arduinoのデジタルピンは，信号をPWMとして出力するからだ．

 

Arduinoなどのマイコンは，通販などで手軽に買うことができて，コードの読み書きも簡単なので，電子工作を始めるなら1台持っておくと便利．

Arduino Unoについては以下の記事を参照．

電気系大学生がArduino Unoを買ってみた【電子工作入門】
マイコンボード「Arduino uno」を買って，IDEをダウンロードして，LEDをチカチカさせてみた．電子工作楽しい！
take26.com
2019.10.15

ここまでで，「Arduino→(PWM)→モータドライバ→(駆動電圧)→DCモータ」というモータ制御の流れがわかった．

ここからは，具体的な回路とArduinoのスケッチを書いていく．

モータ駆動回路

実装する機能はシンプルにひとつのみ．

正転／逆転／ブレーキを切り替えられる

なお，この切り替えは，ブレッドボード上の「スイッチ」で行うことにした．

 

モータドライバICによるDCモータ駆動回路の例は，先ほど紹介した秋月の製品ページに掲載されている「アプリケーションノート」に掲載されている．

また，マルツオンラインの以下のページも参考になる．

TA7291P　を使った小型モータ駆動回路 | マルツオンライン
www.marutsu.co.jp

今回は，アプリケーションノートにある回路を利用した．具体的には以下の通り．７．１「DCブラシモータ駆動の場合」を用いる．

Control I/Oは，Arduinoに対応する．

この回路例を，もう少し具体的に，動作させて必要だった修正も加えたのが以下の回路図．

フィルタコンデンサなど，素子の適正値は，アプリケーションノートに書いてあるので，それをそのまま採用した．

また，回路例からの素子の変更点などは以下．

  • 1Ω抵抗がなかったので，RS端子はGNDに接続（定電流機能は使わない）
  • モータ駆動電圧として６V投入（ただし，マブチモータの限界電圧３．０Vを超えないようにArduino側のPWMのDuty比を低めにする）
モータ駆動電圧（VM）は，電圧降下含めて3.5V程度（＝単3電池×３）がちょうどいいと思われる．が，手元に3本電池ボックスがなかったのと，4本電池ボックスがあったのと・・・で，今回は単三電池4本（＝６V）を入れている．この回路で，Duty比100％のPWMを印可すると，モータに５V以上かかって壊れる可能性が高い．なので，以下で紹介するスケッチ内で，限界電圧３Vを上回らないようにしている．

参考：電池ボックス　単３×３本　リード線・フタ・スイッチ付: パーツ一般 秋月電子通商-電子部品・ネット通販

回路図中にあるスイッチなどは，正転／逆転／ブレーキをパワーパックライクに切り替えるためのもの（最終的には鉄道模型を動かしたいので・・・）．後述．

Arduinoのスケッチ

次に，Arduinoのスケッチ．スケッチのざっくりした設計思想は以下．

  • PWM波形の出力パターン（正転／逆転／ブレーキ）を関数にする
  • スイッチの状態を読み取って，動作を決める
ちゃんと考えれば，もっときれいなスケッチが書けるのだろうけど，今回は動けばよしということで雑なスケッチ．．．
/* Arduino UnoとモータドライバICを用いてDCモータを制御する */
const int IN1PIN = 3;
const int IN2PIN = 11;
const int BUTTON = 7;
const int TOGGLE_L = 12;
const int TOGGLE_R = 13;

void setup() {
  pinMode(IN1PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN2PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT);
  pinMode(TOGGLE_L, INPUT);
  pinMode(TOGGLE_R, INPUT);
}

void loop() {
  /* 駆動投入6Vで大きすぎる */
  /* モーター最大定格(3V)超えないように70/255を掛ける*/
  const int val_speed = 120; /* 最小値0 最大値255 */
  int val = val_speed * 70 / 255;
  int button = digitalRead(BUTTON);
  int front = digitalRead(TOGGLE_L);
  int back = digitalRead(TOGGLE_R);
  
  /* プッシュボタンが押されている間のみ運転 */
  if (button == LOW){
    stopRotate();
  }
  else {
    if(front == HIGH){
      frontRotate(val);
    }
    else if(back == HIGH){
      backRotate(val);
    }
    else
      stopRotate(); /* 中立はブレーキ */
  }
}

/* 正転 */
void frontRotate(int val){
  analogWrite(IN1PIN, val); 
  analogWrite(IN2PIN, 0);
}
/* 逆転 */
void backRotate(int val){
  analogWrite(IN1PIN, 0); 
  analogWrite(IN2PIN, val);
}
/* ブレーキ */
void stopRotate(){
  analogWrite(IN1PIN, 0);
  analogWrite(IN2PIN, 0);
}

モータの速度と限界電圧について

変数「val_speed」に代入したDuty比に従って，一定の速度で駆動する．

val_speedを大きくすれば，入力PWMのDuty比が大きくなる．

モータドライバICは，入力PWMのDuty比にしたがって，出力信号の電圧を出力する．入力のDuty比が大きくなると，OUTピンからモータへ出力する電圧も大きくなる．

モータの回転速度(rpm)は出力電圧に比例する（詳しい式は省略，こちらを参考）

したがって，変数val_speedを大きくすると，モータの回転速度も上がるということ．

＊

正転・逆転・ブレーキ関数内で，analogWriteによってpinからPWMを出力する．Arduinoのデジタルピンから出力されるPWMは，0～255の値でDuty比が決まる．以下の式で対応している．

Duty比 [％]＝（デジタルピンに書き込む値）×（100/255）

ただし，モータドライバの駆動電圧＝６Vに対して，DCモータFA130の限界電圧が３Vなので，

val_speedをそのまま関数に投げると，ある値を超えるとDCモータの限界電圧を超える（値を変えて試すと，val_speed=78より大きい値を書き込むと，モータの電圧が3Vを超えた）．

なので，val_speed=70が最大値となるように，変数変換を書き加えた．

val = val_speed × (70/255)

この変数変換は，モータ駆動電圧を３V程度にすれば必要がない.

ボタン・スイッチについて

ボタン・スイッチによって，駆動・ブレーキを切り替える．回路中にはトグルスイッチとプッシュボタンの2種類があり，その状態をArduinoによって読み取る．具体的には以下．

  • プッシュボタン・・・押したとき(通電＝HIGH)のみ駆動
  • トグルスイッチ・・・正転／逆転を切り替え，中立のときはブレーキ

プッシュボタンを離しているときは，常にブレーキとなるようにスケッチを描いた（フェールセーフ）．

実際に組んで動かす

スケッチをArduinoに書き込んで動かしてみる．

多少，試行錯誤の結果，実際にモータを制御することができた．

スイッチの設計とかはガバガバだったけど，正転／逆転／ブレーキをすることができた．

これを応用すれば，鉄道模型の制御なんかもできると思う．

また，スケッチを書き換えたり，スイッチを増やしたりすることで，より複雑な制御もできるようになる．

VR(可変抵抗)を使って速度調節機能を実装

動画の回路では速度調節機能を追加している．

VR（可変抵抗）を追加して，そのアナログ値(0~1023)をArduinoから読み込む．
そしてVRの大小に合わせて，スピードを可変にするスケッチがこちら．

/* Arduino UnoとモータドライバICを用いてDCモータを制御する */
const int IN1PIN = 3;
const int IN2PIN = 11;
const int BUTTON = 7;
const int TOGGLE_L = 12;
const int TOGGLE_R = 13;
const int VR = 3;     /* analogPin(=A3)*/

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(IN1PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN2PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT);
  pinMode(TOGGLE_L, INPUT);
  pinMode(TOGGLE_R, INPUT);
  pinMode(VR, INPUT);
  int rpm = 0;
  float val_VR = 0.0;
  int button =LOW;
  int front = LOW;
  int back = LOW;
}

void loop() {
  /* 駆動投入6Vで大きすぎる */
  /* モーター最大定格(3V)超えないように70/255を掛ける*/

  /* analogRead()は整数型なのでfloatに型変換して除算する */
  float val_speed = (float)analogRead(VR) / 1023;  //analog値0~1023を0~1に変換
//float val_speed = analogRead(VR) / 1023 これだと0,1のみ
  
  int rpm = val_speed * 70;  // 最小値0，最大値70とする
  Serial.println(rpm);       // 値の監視

  /* 各スイッチの状態を変数に格納 */
  int button = digitalRead(BUTTON);
  int front = digitalRead(TOGGLE_L);
  int back = digitalRead(TOGGLE_R);
  
  /* プッシュボタンが押されている間のみ運転 */
  if (button == LOW){
    stopRotate();
  }
  else {
    if(front == HIGH){
      frontRotate(rpm);
    }
    else if(back == HIGH){
      backRotate(rpm);
    }
    else
      stopRotate(); /* 中立はブレーキ */
  }
}

/* 正転 */
void frontRotate(int val){
  analogWrite(IN1PIN, val); 
  analogWrite(IN2PIN, 0);
}
/* 逆転 */
void backRotate(int val){
  analogWrite(IN1PIN, 0); 
  analogWrite(IN2PIN, val);
}
/* ブレーキ */
void stopRotate(){
  analogWrite(IN1PIN, 0);
  analogWrite(IN2PIN, 0);
}

VRの値を０～１の値に変換してから，PWMの引数として最小0・最大70に換算している(rpm)．

先ほど実装した「正転／逆転／ブレーキ」はそのままなので，
ボタンを押したままVRを変化させると，モーターが加速したり減速したりする．

最初，analogRead(VR)とだけ書いて回そうとしたら，うまく回らなかった．原因は，analogRead(VR)が整数型だということ．整数型÷整数型では整数の範囲でしか計算されない．したがって，計算結果を格納する変数(ここではval_speed）をfloatにしても，0.0か1.0の2通りしか出力されない．analogRead(VR)をfloatに変換してから割り，かつ格納する変数もfloat型にすることでうまく回すことができた．
ArduinoはC言語と同じなので，四則演算は大きい方の型に反映される．たとえば，float型で計算しても格納する変数が整数(int)型であれば，変数にはint型が格納される．上のスケッチだと，rpmという変数にその性質を利用している．

まとめ：鉄道模型を動かしたい

以上，モータドライバICとArduinoを使ったモータ制御の記録．

今後の制作目標は，以下の２つ．

  1. 鉄道模型の簡易パワーパック自作
  2. VVVFインバータ（的なもの？）の作成→三相誘導モータ駆動

1つ目については，今回作った回路を繋ぎ変えて，モータ駆動電圧を12Vくらいに上げれば簡単にできるはず．うまく動いたら，基板とかスイッチとか買いそろえて，基板への実装もしてみたい．
また，本物のパワーパックでは，踏切とかポイントの制御もできるらしい．なので，そういう追加機能もArduinoひとつで制御してみたくもある．

【追記】回路作成したので記事にまとめて公開しました．

Arduinoとモータドライバで動く！鉄道模型のPWMコントローラ
DCモータ制御回路を応用して，鉄道模型(HOゲージ)を動かしてみた．回路作成から試運転までの記録．
take26.com
2020.11.21

2つ目については，Arduinoに関してもう少し勉強が必要（PWMの周波数制御）．なので，簡易パワーパックができてから，追加機能として取り組みたい．

＊

こんな計画なのだけれど，まず「鉄道模型」が手元にないので・・・それを買わないといけない．線路への改造など考えると，NゲージよりはHOゲージくらいがちょうどいいのだろうか．

マイコンよりもはんだごてよりも，鉄道模型がぶっちぎりでお高い・・・

HOゲージとなると，1車両当たりそれなりのお値段がする．なので，電車を1編成というよりは機関車1台をとりあえず買うことになるだろう（自分が好きな，愛知機関区EF64-1000形のHOゲージは，TOMIXから発売されているらしいぞ）．

TOMIX HOゲージ EF64 1000 JR貨物仕様 プレステージモデル HO-173 鉄道模型 電気機関車
TOMIX HOゲージ EF64 1000 JR貨物仕様 プレステージモデル HO-173 鉄道模型 電気機関車
壽屋(KOTOBUKIYA)
Amazonの商品レビュー・口コミを見る
Amazon
楽天
Yahoo!ショッピング

【追記】買いました！

なんだこの再現度の高さは...！EF64国鉄色 HOゲージが入線
鉄道模型なんて，何が楽しいんだ...実車の方が楽しいに決まってると思っていた．そう，HOゲージの車両を買うまでは...
take26.com
2020.10.04

パワーパック自作など，つづきはまた次回．
ネット上にはたくさんのアイディアが転がっているので，それらも参考に作ってみようと思う．

関連記事

電気系大学生がArduino Unoを買ってみた【電子工作入門】
マイコンボード「Arduino uno」を買って，IDEをダウンロードして，LEDをチカチカさせてみた．電子工作楽しい！
take26.com
2019.10.15
VVVFインバータとは何か？しくみと役割を電気系大学生がまとめてみた
あの音の正体は何か？そもそもインバータは何をしているのか？パワーエレクトロニクスからその仕組みと役割をまとめてみた．
take26.com
2020.01.26
タイトルとURLをコピーしました