レフィクシア技術ブログ

レフィクシア社員が様々な技術を紹介します。

第02回 モータードライバを作ってみた  (その2)

こんにちは、アンディです。

 

社内ゼミ自体は週1で行っているのですが、2回目は注文していた部品が届かなかったので進捗がありませんでした。

今回は無事に部品が調達できたのでモータードライバ製作の続きをやっていきます。

第01回はこちらから

lefixea.hatenablog.com 

調達物品は以下の通りです。

  • ハーフブリッジドライバ:IR2302
  • セラミックコンデンサ:0.1μF ~ 10μF くらい
  • 各ご家庭にあるマイコン

 

前回は製作したモータードライバのMOSFETのゲートの先に直接電圧を加えて駆動させていました。しかしそれだと流石に駆動がアナログ過ぎるので、マイコンで動作させようと思います。

 

参考資料(つくろうモータードライバ)によるとMOSFETのゲートに印加する電圧は10V以上が良いらしいです。しかし一般的なマイコンでは10V以上の電圧の出力は難しいですね。そこで電圧を昇圧する方法で推奨されているブートストラップ回路を用います。

ブートストラップ回路はハイサイドとローサイドの中心の電位を基準にしてコンデンサ電荷を貯め、その電荷ハイサイドMOSFETを駆動します。この回路をハーフブリッジドライバICを使って作った回路が図1と2になります。

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図1 ハイサイドOFF、ローサイドONの時の充電回路

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図2 ハイサイドON、ローサイドOFFの時の回路

まずICが駆動したときローサイドFETがONになると、ゲート電源がオレンジの矢印の経路で流れてコンデンサ電荷が貯まります。次にローサイドがOFFになると充電されたコンデンサの電圧がハイサイドFETのゲートに印加されます。このときモータに電流が流れて駆動します。

 

さっそく回路を組んでいきます。

今回調達したドライバIR2302はハーフブリッジ用なので、前回製作した回路を動かすには2つ必要です。あとはICの仕様書を読んで回路に繋げて、自分の宗派のマイコンを繋げれば完成です。今回はESP32を使用します。

 

プログラムを組んで動かしますが処理工程は簡単です。回転したい場合は片方のICにPWM信号を大きくインプットし、もう片方のICは0をインプットします。すると次の動画のようになります。

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なんかおかしい…

 

?? モーターの挙動がおかしいですね…

 

原因はコンデンサにありました。入力したPWM値ではコンデンサの容量が放電しきってしまって電圧が足りなくなるからでした。

この場合はコンデンサの容量を上げるかPWM値を下げて充電する期間を多くすることで回避できるとのこと。

 

ということでPWM値を下げて駆動してみます。

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きれいに回りました。ついでに逆回転もしてみました

きれいに回転しました。このPWM値はコンデンサの容量などから計算することもできます。面倒な方はとりあえず下げれば動きます...

 

やっとモータードライバっぽくなってきました。今はまだブレッドボード上に回路があるので、次回はCNCルータで自前で基板を作っていこうと思います。

それでは。

 

参考資料

booth.pm

 

第01回 モータードライバを作ってみた   記念すべき初回! 

皆さん、こんにちは! レフィクシアのアンディです。

今回からレフィクシア社内ゼミ(通称:Lゼミ)の内容をお届けします。

 

Lゼミは社員の技術力向上を目的としていますが、その内容を技術ブログという形で皆さんにお届けできればと思います。主に電子回路を中心にその他のハードウェアやソフトウェア周りで勉強したことを解説していきます。

 

私の回路の知識はArduinoを触ったことがあるくらいの一般的な女子高生程度です。

 

第1回目は「つくろう!モータードライバ 完全に理解して自作できる本(著:はましぎじゅつ)」を参考にモータードライバを作っていこうと思います。

この本はモータードライバを作るために必要な知識や部品の選定などを詳細に分かり易く書いてあります。

 

私はモータードライバは既製品しか扱ったことしかなく、仕組みなんてトランジスタで動いているのだろうなあ程度の感覚です。

 

さっそく本を読んでモータドライバの仕組みを見ていきます。

 

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図1 フルブリッジ回路図

 これがブラシ付きモータでよく用いられるフルブリッジ回路の図です。4つのスイッチがモータの上下に2つずつ繋がっています。例えば右上と左下をONに左上と右下をOFFにすると右図のように電流が流れモータが回転し、逆の手順を行えばモータは反転します。これが基本的な動作原理らしいですね。このスイッチのところにMOSFETを使います。


ここでモータと電源間をハイサイド、モータとグランド間をローサイドと呼びます。次に回路を構成するMOSFETについて見ていきましょう。

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図2 NchFETとPchFET

MOSFETの種類にはNchFETとPchFETがあり、NchFETはゲートとソース間の電圧Vgsしきい値Vthを超えるとドレインからソースに電流が流れます。PchFETはNchFETの逆でVgsがVth以下になるソースからドレインに電流が流れます。どっちを使うかは構成する回路によって変わります。4つすべてNchFETを使う回路、ハイサイドにPchFET・ローサイドにNchFETを使う回路があります。今回は後者を作っていきます。

 

あとはモータのインダクタンスや抵抗値、流す電流などからMOSFETや抵抗などを選定していきますが詳しく書くと長くなりそうなので割愛します。(本には詳しい計算方法まで記載されていますので気になる方はぜひそちらをご確認ください。)

 

そして取りあえずできた回路がこちら

 

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図3 回路図

必要部品
R1: 10Ω
R2: 10kΩ
PchFET: 2SJ681
NchFET: 2SK4017
C1: 100µF
モータ: 定格6V

 

R1はゲート抵抗と呼ばれ逆起電力によるノイズの影響を抑えたりします。

R2はマイコンやICから信号が無いときにMOSFETの働きをOFFにするためにあります。

回路が出来たので実際にブレッドボード上に作っていきます。

 

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図4 写真1


そして火入れです。一番緊張します。回路を作った私以外の参加者は隠れてみています(笑)。
左上と右下のゲート抵抗の先に電源からの電圧を加えると...

 

回りました! 60RPMなので遅いですが…

 

そして右上と左下のゲート抵抗に電圧を加えるとモータが逆転しました。


今まで既製品のものしか使っていなかったので、自分で回路を作ってモータを回すと楽しいですね。
自分でモータドライバを設計できるようになると既製品とは違って流す電流や部品のスペースなど自由度が変わってきそうです。

 

ちなみに今回は著者による解説がありました。次回以降もあるといいな~(期待の眼差し)

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次回はゲートドライバICを使ったりマイコンで制御する予定です。

 

今回参考にした「つくろう!モータードライバ 完全に理解して自作できる本」は以下からどうぞ

booth.pm