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モータドライバとは

設計例

解説

直流モータを回転させる方法は、端子に電圧をかけることである。
では逆転させるためにはどうするか?
もちろん端子に反対の電圧をかけることで逆転できる。
これは機械屋でも知っていることである。

これは人がやるからこそ簡単な作業であり、マイコンなどの回路からでは非常に難しい作業となる。

これを実現できる回路が、モータドライバである。



モータドライバを構成する要素は次のとおり。
信号部
マイコンなどの回路から信号をうけて動かす場所。マイコンから出力できる電流は小さいため、低電流で動作できなければいけない。
電源部
モータに電力を供給する場所。もっとも電流が流れる場所でもあり、保護回路が入ることも多い。
増幅部
信号部と電源部をつなぎ、さらにはモータにつながる場所。つまりモータドライバの性能が最も左右される場所。


モータドライバにも種類がある。
NPチャネルFETモータドライバ
NチャネルとPチャネルのFETを用いたMD。
Nチャネルドライバに比べ作りやすいが、周波数応答が悪く、高速化させると回路が燃える可能性がある。
NチャネルFETモータドライバ
NチャネルのFETのみを用いたMD。
High側にもNチャネルを用いるため、昇圧しなければならない。そのため昇圧回路など回路は複雑化しやすい。
電磁リレーモータドライバ
物理的接点を持つMD。
安価に製作でき、回路部品も少ないが、物理的接点の切り替え時間の問題からPWMを使用することができない。
リレーFETモータドライバ
回転方向の切り替えを電磁リレーが、回転数をNチャネルのFETが行うMD。
複雑な回路が必要なく比較的安価にモータを制御できるため、利点は多い。
モータドライバIC
HブリッジのFETを内蔵したIC。
もっとも安く、組み立ての必要もないが、電流が流せないため小さなモータしか動かすことができない。

そのほかのMDに関する知識
アイソレート
信号部と電源部及び増幅部を電気的に絶縁すること。扱う電流の単位が違うため、逆流などが起きるだけでマイコンが壊れる可能性があるが、それを防止するためにフォトカプラなどを用いる。
ヒューズ
一定以上の電流が流れたとき、自動的に回路を物理的に遮断する素子。一度切れたら戻らないタイプと、時間がたつと元に戻るリセッタブルヒューズがある。
放熱
ヒートシンクやファンを取り付けるだけで,モータドライバの性能は格段に上がる。
もし重量や電力に余裕があれば取り付けておくとよい。



モータドライバの設計法

これができれば立派な回路屋!

なぜ設計が必要なのか・・・
それがわからないやつはメーカー製のモータドライバと性能を見てきなさい。

モータドライバに要求されるものは、電流特性及びサイズ、重量、そして価額である。
そしてこれが大事。

安くても壊れるMDは高くつく!

そんじゃ、一つずつやっていこうか。

中心となるのはやはりHブリッジ。
構成には数種類の方法がある。
  • フルNchFETブリッジ
  • PcnNcnFET複合ブリッジ
  • フルリレーブリッジ
  • リレーFET複合ブリッジ
ポイントとなるのは、その切り替え方法。
最も簡単なのはフルリレーブリッジ。PWM非対応でも、ディジタルで簡単に切り替えることができる。
大変なのはフルNchFETブリッジ。高電圧側のFETは、昇圧が必要となる。
しかし、設計が一番難しいのはPchNchFET複合ブリッジだろう。また別のFETに関する知識が必要になる。

では、簡単に組めて、なおかつ性能もそこそこのリレーFET複合ブリッジで解説していこう。

簡単に設計するためにも、回路図エディタを使用することをお勧めする。下はフリーの回路図エディタの一例。
EScad
かなり古い回路図エディタ。日本語に難あり。
bsch3V
まだ更新されている回路図エディタ。今回はこれを使用。
使い方の説明はここではしません。

まず中心となるブリッジを構成する。モータの回路図はなかったので自作。


次にGND側にFETを接続。まだ型番までは決めない。


ここからが本題。
まず電源電圧を決める。モータにかかる電圧でもあるため、モータの仕様でも左右される。
ここでは12Vで設定しておく。

そして実際のリレーの種類を見てみよう。
リレーの接点は許容電圧は100V以上であり、高専ロボコン程度の電圧では問題がない。
しかし、電流の最大値には限界がある。
基本的に、モータのストールにも耐えうる電流許容を持つリレーを選択したほうが良い。
しかしそれほど高電流のリレーの数はあまりない。値段も上がってしまうので注意。

リレーが決まれば、コイルにかける電圧も決まる。電源電圧と等しいなら、何も問題は無い。
しかし電源電圧よりもコイルにかける電圧が低い場合、降圧が必要となる。
方法は二つ。抵抗で分圧or降圧回路を入れる。
もちろん前者のほうが簡単だが、抵抗値はリレーによって違うので注意。分圧の計算はできるように。
ここでは降圧が必要とし、抵抗もわかっているものとしよう。
しかし、まだコイルに接続はしない。


次に考えるのは、制御回路との接続。
アイソレートを行うか、行わないかによって難易度は変化する。
まずは行わずに考えてみようか。

マイコンからの出力電流は±10mA程度。これではコイルを動かすことはできない。
そこで使うのがトランジスタやFET、さらにリレーである。
ここでは簡単にトランジスタを使って作ってみよう。
中でもnpn接合のトランジスタなら、ベース-エミッタ間に電流を流せば動くため、簡単に作ることができる。
逆にpnp接合だと、ベース-エミッタ間に逆電流が流れるが、電圧の違いによりとめることができない。(マイコンは5V程度)

最後は抵抗だが、これは流したくない電流だけつなげればOK。
またFETの放電用にも接続しておく。

これで回路が完成する。

ここからは実際に型番や値を決める必要がある。

まずnpnトランジスタから。
このトランジスタはコイルのオンのために使うため、それなりにコレクターエミッタに電流を流す必要がある。
もっとも一般的なnpnトランジスタである2SC1815を使ってもかまわないが、どうせならば2SDのものを使おう。
いいものがあれば、ダーリントン接続されているトランジスタを使えば、少ない電流でスイッチングできる。
相手がリレーであるためスイッチング速度は低速でよい。
このトランジスタにつながる抵抗は、切り替えに必要な電流の分だけ入れる必要がある。
トランジスタの増幅率とコイルに流したい電流から、必要なベースーエミッタ間電流がわかる。
マイコン側の電圧(主に5V)からこの電流を割ることで、必要な抵抗値がわかる。
マイコン側から出力可能な電流も知っておかないと、マイコンを壊す可能性があるので注意。

コイルにつながっている抵抗は、分圧の概念がわかっていれば計算できるはず。
コイルの抵抗は仕様書に書いてある。

最後にFET。
このFETがもっとも厄介で、それなりに電流が流せる必要がありながら、高速でスイッチングする必要もある。
FET選びに関しては、はやり難しいところがあるので、ここでは省略。
マイコンにつながる抵抗は、10~20オーム程度がよい。
高すぎるとスイッチング性能が下がり、低すぎるとマイコンが壊れることがある。
グランドにつながる抵抗は、10kオーム程度がよい。

これでやっとMDの設計が終わり。
実際に製作して、動作を確認してみよう。

ちなみにこれを作ると1000円くらい。

続・モータドライバの設計法

簡単なリレードライバは、ある程度なら誰でもできる。
次はFETドライバだ。
ただし、リレーFETドライバの方が値段対性能はいいので注意。

最初に電源の決定。
対象とするモータによってFETドライバは大きく異なる。
3.3Vモータの回路と、12Vモータ、24Vモータの回路は考え方や材料が違ってくるので注意。

ここでは最も簡単な12Vでやっておこう。

次に、FETの選定。
フルNchで作るか、PchNchで作るかは好み次第。
比較的考えることの少ないフルNchのFETで設計していこう。
最初に見るべきは、許容ゲート-ソース間電圧。
基本的なパワーMOSFETは、20Vまで耐えられるものが多い。
つまり24V仕様のモータに、電源をそのまま使うことができない。
しかし今回は12Vで解説する。
意外と大事なのはゲート-ソース間静電容量。
これが大きいFETは、スイッチングに時間がかかりやすい。
値を見てもわからない場合は、回路シミュレータを試してみるといい。
スイッチングがなかなかできない。




追記

ここからは知っておくと便利なことを・・・

MDの周波数特性
FETのスイッチング特性を始めとした、回路全体の周波数に対する特性。
高い周波数で動かすと何らかの不具合が生じる場合もある。
自作のMDはこれを測定しておくことをお勧めする。
やはり既製品と違い個体差、思いがけない仕様が見つかる可能性がある。
直流動作も確認できると良い。

信号線と電力線
低電圧動作である信号線と、高電圧、高電流動作である電力線はやはり全く違うもの。
信号線はノイズに強く、電力線は電流が流せる線にしておく必要がある。

製作速度
性能の高いモータドライバが出来上がった場合、プリント基板にも対応できるように配線しておくことをお勧めする。
やはりMDは部品が多いため結線作業が非常に多く、それが製作速度を下げる要因となりやすい。

ユニバーサル基板の配線
きれいな配線には次の理由と条件が挙げられる。
無駄な半田がない。
線が水平、垂直、45度の斜線で構成されている。
ジャンプ線が少ない。
やはり、こだわって作ったMDは壊れにくくなる。

瞬間短絡とデッドタイム
NchFETとPchFETを用いたモータドライバ回路を製作する場合,High側とLow側のFETを同時に切り替えようとすると瞬間的にどちらのFETもスイッチが入って瞬間的に短絡が発生してしまう.
すると大きな電流がFETに流れてしまうため,熱や破壊の原因となってしまう.
そこでどちらのFETのオンまでの時間にタイムラグを設定することで,この短絡を回避することができる.
主にコンデンサと抵抗を用いて作るが,遅くすればするほど出力が下がってしまうだけでなく,高周波で用いることができなくなる.
よってFETに最適な抵抗とコンデンサで設計することが望ましい.

開放とショートブレーキ
モータドライバの機能の一つに,端子開放とショートブレーキがある.
端子開放はその名の通りで,モータの端子をGNDでもVccでもなく自由な状態にする.一方でショートブレーキはどちらの端子もVccまたはGNDに接続するというもの.
特にFETドライバでは高周波に対応できるため,OFF時間にどちらを設定するかにより出力が異なる.
例えば端子開放型では,PWMと回転数がほぼ比例しない代わりに効率がよく,高電圧なノイズが発生しやすい.
一方でショートブレーキ型では,PWMと回転数が比例しやすい代わりにFETが発熱しやすい.
実際のデータがあるわけではないので,どれくらい違うかは言い難いので,そのうち実験はしてみたいと思う.