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ＤＣモーターの接続

arduinoにＤＣモーターを接続して、正逆転させたり回転数に緩急をつけたりしてみます。 可変抵抗１個で回転速度、及び回転方向が簡単に制御できます。

ＤＣモーターについて

ＤＣモーターっていうと代表例はマブチの１３０モーターでしょうか。赤い線と青い線をそれぞれ乾電池に繋ぐと勢い良く回ります。

ＤＣモーターのＤＣは「直流」です。直流の電源に繋いであげると回るモーターがＤＣモーターです。 ＤＣモーターといえば一般にはブラシモーターです。軸の回転に合わせてブラシが付いたりはなれたりすることで順々に電極を切り替え、 それによってクルクル回転し続けます。

ＤＣモーターにはブラシレスというタイプもあります。これはブラシに相当する機能を電子的に実現しているモーターです。 ブラシと言う物理的な電気接点が無くなることによって、電気接点の磨耗という心配がなくなるので長寿命になります。 ただ、付属の電子回路などが必要になり、ちょっと高価になります。

今回は普通の「ブラシモーター」を対象にします。マブチの１３０モーターあたりと考えてください。ちなみに写真は２６０モーターです。

ＤＣモーターの回し方

ＤＣモーターには＋側端子と－側端子があります。この端子にそれぞれプラスとマイナスの電源を繋ぐとモーターは回ります。（アタリマエ）

一方、プラスとマイナスのつなぎ方を逆にすると反対に回ります。（これもアタリマエ）

さらに、掛ける電圧を高くすると速く回り、低くすると遅く回ります。（さらにアタリマエ）

さて、今回はこのように回転方向や回転速度を自由自在にarduinoで制御しちまおうという作戦です。

といっても、arduinoの出力端子自体は電力を取り出せるほどの力がないので、何らかの増幅回路が必要になります。

Ｈ－ブリッヂ回路で正逆回転制御

一番簡簡単な増幅器といえばバイポーラやＦＥＴのパワートランジスタってことになるんですが、 こういうディスクリート部品を使って組み立てると色々メンドウなので、ＤＣモーター制御用に特化したＩＣを使ってしまうのがラクチンです。 それらのＩＣには一般にＨ－ブリッヂ回路というモノが組み込まれているんですが、 そのＨ－ブリッヂ回路が増幅機能とモーターの正逆転制御を司ります。

今回は秋月で買い置いておいたＴＡ７２６７ＢＰというＩＣを使います。ＴＡ７２６７ＢＰにもＨ－ブリッヂ回路が内蔵されていて、 １個のＩＣにつきモーター１個を正逆転の制御をすることができます。 マイコンからの制御信号に従って正回転、逆回転、ストップ、ブレーキという４つのモードを選ぶことが可能で、 arduinoから２ビットの制御信号を出力するだけでこの４つのモードを操ることができます。

実際にはこの図のような機械的スイッチではなく、半導体（トランジスタ）を使ったスイッチがＩＣに内蔵されており、電力の増幅も同時に行います。 ＩＣにはこの半導体スイッチ機能と、スイッチのオン／オフを制御するための制御回路機能が内蔵されており、 マイコンからは４つのうちどのモードを使うのかの情報を渡すだけで扱うことが出来、とても簡単です。

Ｈ－ブリッヂ回路のことは後閑さんの本に詳しく書いてある ので、ご興味のある方はそちらをご覧ください。

ＰＷＭで速度制御

モーターに供給する電圧が「オン」と「オフ」の２通りしかないと、モーターは「回る」「止まる」の２通りにしか制御できません。 中間の状態（中間の回転数）を作り出したくなります。そこで、モーターの速度制御にＰＷＭを持ち込んでみます。

ＬＥＤなどの場合、高速にＰＷＭで点灯と消灯を繰り返すと人間の目では点滅を認識出来ず、もはや薄暗く点灯しているように見えるようになります。 arduinoの場合、アナログ出力機能を使えばＬＥＤは点灯と消灯の中間の明るさが簡単に作り出せます。

モーターの場合もこの手のアナログ制御にはＰＷＭを使うんですが、モーターの中身は「コイル」なので、動作上少し意味合いが変わってきます。 ＤＣモーターの場合は先ほどのＨ－ブリッヂ回路で制御する訳ですが、 ２対のスイッチを（たとえば正回転時は左上と右下のスイッチを同時に）高速にオン／オフさせることで制御します。

その際の注意点。モーターはコイルなのでインダクタンスを持っています。スイッチオンで急激に電圧が上がっても電流は少し遅れてゆっくり流量が増え、 逆にスイッチオフで急激に電圧が下がっても電流は暫く流れつづけるという働きをもっています。 モーターに供給する電圧をＰＷＭで高速にオン／オフを繰り返した場合流れる電流は多少脈を打つ程度で、 結果的にオンとオフの中間的な電流が流れつづけます。

この様に、ＰＷＭを使ってモーターの速度に緩急つけるにはモーターに流れる平均電流量の制御という形で行います。 ＰＷＭのデューティー比を変化させることによって、この平均電流…図の赤い点線を上げたり下げたり出来るわけです。 （この考え方自体はＤＣモーターに限らず、 ステッピングモーターのマイクロステップでも応用が利きました）

おいおい待てよと。左上と右下のスイッチを同時にオフにしたら、モーターの両端子の間は絶縁状態だから電流が流れる経路が無いジャン！

…実は、スイッチがオフの間にもコイルに溜まっていたエネルギーを電流として放出しつづけるための「フライバックダイオード」 と言う仕組みがＩＣに内蔵されていて、上手く機能するようになっています。仕組みの説明は端折りますが、ちゃんと動くので大丈夫。

（細かい事いうとＴＡ７２６７ＢＰに内蔵されているフライバックダイオードは容量が小さいらしく、 大きいモーターを大きい電力で回す際には外付けのフライバックダイオードをつけたほうが安全なようです）

ＴＡ７２６７ＢＰとＰＷＭ周波数

なお、ＴＡ７２６７ＢＰというＩＣは元々正逆転制御だけのために作られたモノのようで、 そもそもＰＷＭで制御するようには設計されたものではないようです。

でも、あまり極端な高周波でなければＰＷＭでも制御が可能なようです。 この手のＰＷＭを前提としないＩＣであっても、私が調べた範囲では一般的に数百Ｈｚ～１ｋＨｚ程度で使う分には問題ないみたいです。

arduinoのアナログ出力（＝ＰＷＭ出力）は約４９０Ｈｚと比較的遅い周波数を用いているんですが、 この様にモーター制御には「必要十分」な周波数のようで、 しかもＬＥＤの明るさ制御に用いても点滅がヒトの目で認識できない程度の「ちょうどいい周波数」ということのようです。 arduino、よく出来てます。こういう何気ない配慮がarduinoの使いやすさに繋がってるんだろうな…

回路図

というわけで、回路図です。

使い方

基本的にはＴＡ７２６７ＢＰのデータシートにしたがって、ｉｎ１とｉｎ２をａｒｄｕｉｎｏの入力信号に、 ｏｕｔ１とｏｕｔ２をＤＣモーターに繋いでおいて、あとは電源とＧＮＤを繋いだだけの図です。 あと、アナログ入力端子には可変抵抗で分圧した電圧を入力させておいて、その電圧値で正逆転や速度の調整に使ってます。 arduinoからの出力は、ＰＷＭが使えるようにデジタル５と６ピンを選んでます。

幾つかコンデンサを挟んでますが、こんな感じで適当にコンデンサを挟んで使ってください。 今回は、１点はモーターの両端に０．１ｕＦ程度のコンデンサを。もう１点はＴＡ７２６７ＢＰの電源周りに３３ｕＦと０．１ｕＦをパラで使いました。

回路図ではｏｕｔ１にモーターのマイナス側、ｏｕｔ２にプラス側を繋いでますが、逆に繋げば逆回転になるだけです。

電源周りについて

電源は、arduinoお得意のＵＳＢ給電だと電流が足りません。プログラムをダウンロードしたらＵＳＢから外し、 外部電源で動作させる必要があります。物凄く小さいモーターならＵＳＢからの給電でも回るかもしれませんが、 １３０モーターですらＵＳＢの５００ｍＡでは回せません。ご注意を。今回は秋月の５Ｖスイッチングアダプタを使いました。

冒頭の写真で、ブレッドボードにＬＥＤや抵抗が刺さっているのは、 実はＴＡ７２６７ＢＰに繋ぐ前にＵＳＢ接続のままＬＥＤを使ってスケッチの動作を確認するためのものでした。 ＬＥＤならＵＳＢからの給電でも足りますからね…

もっと言うと、ＴＡ７２６７ＢＰの制御回路の電源（Ｖｃｃ）は本当は６Ｖ以上必要なんですが、 arduinoは定格上５．５Ｖ以下じゃないとダメなので、むりやりarduino用の５Ｖで動かしているというわけ。 （パワー供給用のＶｓは６Ｖより低くても大丈夫です…詳しくはデータシートご参照）

以前３．３Ｖで実験してみたことがあったんですが、この電圧ではモノの見事に動きませんでした。 もちろん５Ｖでも動作の保証はないので、厳密に動かすにはＴＡ７２６７ＢＰに６Ｖ以上の電源を給電しておきつつ、 arduinoの出力ピンを一旦オープンコレクタで受けてから、コレクタ側を６Ｖにプルアップすれば安定して動かせると思います。

ＴＡ７２６７ＢＰの利点

利点と言うと、まずは単純に１個のＩＣだけでモーター制御のモロモロを扱えてしまうってことなんですが、 それ以外にも利点があります。

Ｈ－ブリッヂ回路のイメージ図を眺めていただくと解ると思いますが、４つあるスイッチ部分のうち上下に並んだ２つのスイッチがいっぺんに「オン」 になっちゃうと電源とＧＮＤがモロにショートしてしまう（貫通電流が流れる）ことになります。

ディスクリートでモーター制御回路を組む場合、この辺りのことを考慮しながらハード・ソフトの設計を行わないといけませんが、 ＩＣを使うならこの「短絡」状態を避けられる様に設計されているので、基本的には心配しなくてもＯＫです。 上下のスイッチ部分が同時にオンにならないようになっていて…その代りに「ブレーキ」機能に割り当てられているという訳です。 利便性と動作安定性。それがＩＣを使うメリットということでしょうね。

スケッチ

サンプルスケッチ

スケッチです。例によって不等号は全角に置き換えてあるので、半角に戻して使ってください。

int motor1 = 5;   // output for motor1 on 5pin(pwm)
int motor2 = 6;   // output for motor2 on 6pin(pwm)
int analogpin0 = 0;  // select the pin for analog0 input
int a_input = 0;  // input data from ADC

int i;


void setup() {
  pinMode(motor1, OUTPUT);  // declare the motor1 as an OUTPUT
  pinMode(motor2, OUTPUT);  // declare the motor1 as an OUTPUT
  
  /*** make motor stop  ***/
  analogWrite(motor1, 0);
  analogWrite(motor2, 0);
  
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("start");

}

void loop() {

  a_input = analogRead(analogpin0);  //read data from analog0 pin

  if (a_input > 512) {

    /*** cw ***/
    analogWrite(motor1, (a_input - 512)/2 );
    analogWrite(motor2, 0);
    Serial.print("plus");
    Serial.println((a_input - 512)/2);
    
  } else if (a_input ＜ 512) {
    /*** ccw ***/
    analogWrite(motor1, 0);
    analogWrite(motor2, 255 - (a_input /2) );
    Serial.print("minus");
    Serial.println(255 - (a_input /2));
   
  } else {
    /*** stop ***/
    analogWrite(motor1, 0);
    analogWrite(motor2, 0);
    Serial.println("center");
  }

  delay(10);

}

サンプルスケッチの意味

このサンプルスケッチを動かすと、可変抵抗の回転角によってモーターの速度や回転方向を好きなように制御できます。

可変抵抗で５Ｖを分圧し、それをアナログ０番端子から入力します。入力値が５１２～１０２３は時計回り、０～５１２は反時計回り。 どちらも５１２から離れるに従って回転速度が上がります。

アナログ出力には、デジタル５番と６番のＰＷＭ出力端子を割り当てています。 時計回りの時にはデジタル５番ピン側がオン／オフすることで速度を変化させています。この間デジタル６番は常にオフです。

反時計回りの時はその逆で、デジタル５番は常時オフ。デジタル６番がオン／オフすることで速度を変化させています。

どちらも、デジタル５と６番が両方オフになる瞬間が生じますが、これは「ストップ」と同じなので「惰性で回っている状態」です。 ＰＷＭによって通電－惰性－通電－惰性……と繰り返すことによって、オンとオフの中間状態を作り出しているという感じです。

今回は両方ともオンの状態（＝ブレーキ）は使ってません。使いたい方はその用途に従って組み込んでください。 （両方のアナログ出力に２５５を出力すればブレーキになります）

なお、スケッチ中のSerial.printやdelayは基本的に不要なので、そのあたりの行はザックリと取り除いて下さい。

注意点

ＴＡ７２６７ＢＰのデータシートを読むと書いてありますが、正転と逆転の切り替えを行う間には１００ｕｓ程度の時間を置く必要があるようです。 今回のスケッチではあまり気にせず書いてしまったのでそこまで盛り込まれていません。

これは、先ほど出てきた上下のトランジスタ（スイッチ）が同時にオンになって「貫通電流が流れる」という事象を引き起こすためです。

ロジックで愚直に実現していくとしたら、正転・逆転が切り替わることを検知したら、１００ｕｓの間両方のアナログ出力端子に 「０」を出力するという手が打てるかと思います。

まぁ、ＰＷＭ５番と６番（共にタイマー０を使ったＰＷＭ）は同じタイマーモジュールによるＰＷＭのペアなので周期が一緒だし、 アナログ出力値（＝タイマーのＴＯＰ値）がタイマーモジュールに取り込まれるタイミングは基本的にタイマーの値が０に戻る時なので、 arduinoのＰＷＭ周期を加味すれば１００ｕｓ以上の間隔が当然開くであろうという読みがあってのスケッチです。（ただ、厳密な裏取りはしてません）

arduinoのデフォルトモードでアナログ出力を使うならこの程度で多分ｏｋですが、 タイマーモジュールを直接制御してＰＷＭの周期をもっと速くしちゃうとか、タイマーの動作モードを弄りなおすとか言う場合にはその限りではありません。 ご注意を。

用途など

簡単なスケッチでモーターを回すことができたので、とりあえず世は満足じゃ。…じゃなくて、何に使うかというお話。

入力回路の「可変抵抗」の変わりに「温度センサー」などを使って、ＰＣ内部のクーリングファンの制御などには使えそうです。

それ以外では…やっぱりラジコンカーのタイヤ回転速度の制御とかでしょうかね。

まぁ、モーターの回転速度をアナログ的に制御したい場合に色々使えるんじゃないでしょうか。

というわけで、とりあえず今回の実験を締めくくります。

フッター画像