モータのPWM制御

  1. DCモータ

    1. 小型DCモータ

      　ここでは、小型のDCモータの回転制御を行います。小型DCモータは玩具にもよ良く利用されています。ここで利用するモータは適正電圧1.5V〜３V、電流数百ｍA程度です。
      　DCモータは負荷がない場合（回転軸に何も接続されていない場合）、電流は少ないですが非常に高回転になり、軸やブラシを傷めます。また、負荷が重すぎる場合回転数が落ち、高い電流が流れます。電流が適正値を越えると、発熱して故障の原因になります。

    2. DCモータの特性

      　モータの回転力は通常トルク（g/cm）であらわします。標準の回転数のときのトルクを適正負荷といいます。数では、標準回転数は約2000（rpm）、トルクは120g程度です。回転数の単位rpmは分あたりの回転数です。モータの回転数は高いので、通常、ギヤ（歯車）で回転数を落として使用します。回転数を 1/100 にすると、トルクは100倍になります。回転数＊トルク が仕事量になります。ギヤなどの損失を無視すれば、モータに流し込む電流がモータの仕事量になります。仕事量が同じであれば、回転数が半分になればトルクは倍になります。


      　（図は　http://www.picfun.com/motorframe.html　より）

    3. モータの制御

      　モータに流れる電流は電圧が一定であれば、回転数で定まり外部から制御することは困難です。電圧をかえると、直線的にトルクが増し、回転数も増加しますが、流れる電流が多い場合電圧の制御は簡単ではありません。
      　そこで、PWM： Pulse Width Modulation 制御がよく利用されます。
      この方法は、一定区間の中で通電する割合（時間幅）を変更して平均的な電力を調整する方法です。下図は、25%、50%、75% の電力制御の説明図です。横方向が時間で、立ち上がっている間スイッチをオンにして通電します。

      通電幅を0にすればオフ、繰り返し期間と通電期間を同じにすれば、完全オン状態になります。PWM制御は少々荒っぽい手法なので、制御可能な対象は限定されますが モータの電力制御にはよく利用されます。

    4. PICのPWM制御

      PIC873にはPWM信号を生成する機能が2回路あります。ただし、全体の周期は2回路とも同じです。まず、setup_ccp1(CCP_PWM); で、ccp1 機能を PWM に設定します。2回路のPWMが必要なら setup_ccp2 も設定します。

      　setup_ccp1(CCP_PWM);
      　setup_ccp2(CCP_PWM);

      次に、タイマー２の周期を設定します。タイマー２はPWMの全体の周期を設定します。　タイマー２の元になるクロックは、PIC 本体のクロックの 1/4 の周波数です（周期は周波数の逆数です）。これを、さらに、1/prd にしてPWMの周期とします。これは、ccp1とccp2に共通です。prdは 255　以下とする必要があります

      　setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,prd,1);

      　周期の中のパルスの幅（これを duty といいます）を定まるには、set_pwm1_duty(pwt) を利用します。pwt が1周期内部のパルス幅を定めます。これは、周期より小さな値に設定する必要があります。このパルス幅は、ccw1とccw2で異なる値にすることができます。

      　set_pwm1_duty(pwt1);
      　set_pwm2_duty(pwt2);

      　ccw1のpwm信号は、c2/ccp1 端子（13ピン）から、ccw2のpwm信号は、c1/ccp2 端子（12ピン）から取り出すことができます。

  2. 回路設計

    1. 回路図

  3. プログラム

    1. ソース

      //DC Motor　制御
//PWM　制御

#include <16F873A.h>

#fuses HS,NOWDT,NOLVP,NOPROTECT
#use delay(clock = 20000000)
#use RS232(BAUD=9600,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7)

int i;
int prd;
int div;

void main(){
     
//ポートA入力
 set_tris_a(0xFF);
 
 //ポートB4bit出力
 set_tris_b(0xF0);
 
 //RB3にPWM信号生成
 setup_ccp1(CCP_PWM);
 setup_ccp2(CCP_PWM);
 
 //タイマー２の周期を約0.1mSに設定  
 prd=40;    
 setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,prd,1);
 prd -= 2;
 
 while(1){
     //パルス幅でモータをPWM制御する  
     div=0;

     for(i=0;i<4;i++){
       set_pwm1_duty(prd-div);
       set_pwm2_duty(prd-div);
       output_b(~i);
       div += 2;
       //1000m秒周期
       
       delay_ms(3000);
     }
 }
}
      　

  4. モータの回転方向制御


    1. Hブリッジ回路

      DCモータの回転方向の制御には、Hブリッジと呼ばれる回路構造が利用されます。下図でTr1とTr4をオンにすれば、M（モータ）には左から右に電流が流れます。Tr3とTr2をオンにすれば、逆方向に電流が流れます。



    2. モジュール

      Hブリッジを構成するのは少々面倒ですから、図のようなモジュール TA7192P を利用します。VCは制御用の電源（5V）で、VrefとVSはモータ用の電源です。GND は共通になっています。



      IN1,IN2 が制御端子で、(H,L）で時計回り、(L,H ) で版時計回りに回転します。(L,L) の場合、モータの電流が流れません。(H,H) の場合、M のコイルを短絡することで、M の発電機能を利用したブレーキ機能が利用できます。この、ドライバはVrefの電圧で、モータへの供給電力を制御できます。左右の車輪を独立に制御する場合、回転数を調整することができます。可変抵抗を利用して、Vref に０〜Vsまでの電圧をかけます。


      　このトランジスタの飽和電圧は１Vくらいあります。したがって、モータの両側で、２V近い電圧の低下があります。低い電圧で動作したい場合、注意が必要です。小型DCモータ（DC３V）の場合、乾電池2本では動作しません。乾電池3本か、Nicd電池4本が適当な電源になります。
      　また、TA7291P本体も4.5V以上の電圧が必要です。モータと同じ電源を利用すると誤動作の原因になります。乾電池4本か、DC３Vかた、DC-DCコンバータで５Vまでステップアップして利用します。