マブチモーターの制御

質問

マブチモーターのFA-130
これを、スイッチを入れたあと回転数が徐々に上がるように
モーターを制御したいのですが、何かよい方法があるでしょうか。
限界電圧1.5～3.0V、適正電圧1.5V、適正負荷0.39mN・m (4.0g・cm)、回転数* 6,400r/min、消費電流*500mA
使用電池単2です。

回答No.7

inara · ベストアンサー

ANo.6の補足です。

(1)　D2の極性
回路図に書いてありませんが、D1 と同じ（↑）です。

(2)　最低電源電圧
LM317のデータシート6ページの「Dropput Voltage」にIN-OUT端子間の最低電圧差Vminが出ています。これは最低この電圧差がないとその負荷電流を流せないという下限電圧差です。25℃・出力電流 500mA で 1.8V となっていますので、モータの最大電圧を 3.5V とすれば、IN端子に必要な最低電圧（最低電源電圧）は　3.5V + 1.25V (R1の電圧降下）+1.8V（Vmin） = 6.55 V となります。温度が上がれば Vdrop は下がりますが、その降下分は 0.1V～0.2 V ですので、乾電池２個直列（6V＋α）では、500 mA での動作は難しいでしょう（ R1 を大きくして、低電流動作させれば Vdrop は下がりますがそれでも 1.5V くらいですので、電源電圧は 6.25V ）。

(3)　LM317の発熱について
LM317のIN-OUT端子間の電圧差 Vin-Vout [V] と電流 I [A] の積が発熱量[W] となります。この回路は I が一定となるようになっているので、Vin が大きいほど、モータ動作電圧が低くなる（過負荷時）ほど、LM317が熱くなります。LM317の温度上昇ΔT [℃] は ΔT = 熱抵抗*( Vin-Vout )*I となります。データシートの４ページに、放熱器をつけないときの熱抵抗（Thermal Resistance）はTパッケージ（TO-220）で 50 ℃/Wとありますので、I = 500 mA、Vin-Vout = 1.8 V なら、ΔT = 45 ℃ となって、周囲温度が 20℃ ならLM317の温度は 65℃ になります。もし電源を乾電池３個直列(7.5V）にすると、ΔT = 82.5 ℃ となりますので、周囲温度が 20 ℃ ならLM317の温度は 102.5 ℃ にもなります。LM317の最大動作温度は125 ℃ですが、これは絶対最大定格で、通常動作では 80 ℃ 未満にしたほうがいいので、放熱器が必要になります。TO-220パッケージ用の 20×30×40mm 程度の大きさの放熱器（ストレートフィン型）の熱抵抗は自然空冷で 20 ℃/W 程度ですので、これをつければ、LM317の温度は 53 ℃ に抑えられます。放熱器を使用するときは電気的ショートに注意してください。LM317のむき出しの金属部分（固定用の穴がある）は、電気的に Vout と同じですので、放熱器を直付けするときは、放熱器が他の端子と接触しないように注意してください。放熱器と金属部分の間に絶縁板を入れるとショートの危険は減りますが、熱抵抗が悪くなることに注意してください。

回答No.6

inara

入手しやすい可変電圧３端子レギュレータ（LM317T）を１個使ったモータ駆動回路を紹介します。
ANo.5は 2SC1815 にこだわったもので、電源電圧が変動するとモータ電流が変わる欠点がありましたが、これは電源電圧が変動してもモータ電流は一定です。電流がだんだん大きくなるソフトスタート型です。

'
'　Vcc　─SW─┬─IN　LM317　OUT─┬─R1─┬───┬──┐
'　　　　　　　　　 │　　　　　ADJ　　　　　↑D1　　　R2　　　　 │　　　│
'　　　　　　　　　C1　 　　　+├─────┴───┘　　　　 D2　　M
'　　　　　　　　　 │　　　　 C2　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　│　　　│　　　　　　
'　GND　───┴───┴─────────────┴──┘　　　

モータ電流を 500 mA、モータスタート時間を数秒 としたとき、R1 = 2.5 Ω（10Ωを４本並列接続）、R2 = 1 kΩ～10 kΩ、C2 = 100 μF（電解コンデンサ）　となります。R1 がモータ電流を決める抵抗で、LM317TはADJ－OUT端子間の電圧が 1.25 V となるように動作しますので、R1 = 2.5Ωなら、モータ電流 I = 500mAとなります（ 一般に R1 [Ω] = 1.25 / I [A] ）。

回路シミュレータでこの回路のモータ電流の時間変化をシミュレーションしました（モータ部分は3.5Vで500mA流れるとして7.5Ωの抵抗と1Hのインダクタンスの直列接続とした）。シミュレーションでは、R2 が 1 kΩで立ち上がりが１秒くらいでしたが、実際には 1 kΩ～10 kΩの範囲で実験して決めてください。立ち上がり時間はR2とC2で決まります。LM317のADJ端子から流れ出るバイアス電流の影響を避けるため、R2はあまり高抵抗にできません。立ち上がり時間をさらに長くするときは R2=10 kΩとして、C2 を大きくしてください。C1 はLM317T の安定動作に必要なもので、0.1 μF程度の積層セラミックコンデンサをIN端子の近くに接続してください。D1はスイッチをOFFにしたときに、C2に残った電圧からLM317を保護するため、D2はモータの逆起電力によるスパイクを吸収するためです。ダイオードの極性は矢印方向に電流が流れるとします（これを逆にすると回路が壊れることもあるので注意してください）。

LM317のデータシートのURLを添付しますが、必ず317T（T220パッケージ）を使ってください（価格は100円程度）。電源電圧が高いときには発熱が大きくなるので放熱板が必要になるかもしれません。最低電源電圧は、モータの最大電圧を3.5Vとすれば、3.5V + 1.25V (R1の電圧降下）+3V（LM317の最低入出力電圧差） = 7.75Vとなりますので、乾電池２個直列（6V）ではたぶん動作しません。

【LM317データシート】　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM317.pdf

お礼

inaraさんお返事遅れてスミマセン。
単語自体を読み込むのに検索して理解しながら読んでいたら、脳みそがオーバーヒートしました。
もう少し軽く考えていたので、図書館で初歩的な本を探して暫し読み込んでから出直します。
ありがとうございました。

回答No.5

inara

>確認したらトランジスタは2SC1815はあります

2SC1815は最大電流が150mAなので１個では500mAを流せませんが、2SC1815を複数個使って駆動する例を紹介します。大電流を流せるトランジスタを使えば１個でできますが、手元にある部品を使って設計するというのも頭の体操になるので、ちょっと設計してみました（これで動くことを確認してから、他の回答者の回路を試してみるのもいいでしょう）。ソフトスタートにしたいとのことなので、スイッチを入れるとモータに流れる電流がだんだん増えるようになっています。

'　┌─┬──┬───┬─────────・・・──┬─┬─ SW ─ Vcc ( ?V )
'　R1　↑D１　　C　　　　 │　　　　　　　　　　　　　　　　　　M　　↑D２　　
'　├─┼─B　TR1　　　C　　　　　　┌──┬─・・・──┼─┘
'　R2　C１　　　E──B　TR2　　　 　C　　　　C　　　　　　　C
'　├─┘　　　　　　　　　E─┬─B　TR3　B　TR4　　B　TR１２
'　│　　　　　　　　　　　　 　　↓　　　 E　　　　E　　　　　　　E
'　│　　 　　　 　　TR４～TR１２　　　│　　　│　　　　　　　│
'　│　　　　　　　　のB（ベース）へ　 Re　　　Re　　　　　　Re
'　└─────────────┴──┴─・・・──┴─── GND ( 0V )

【記号と図の説明】　Mはモータ。TR１～TR12はトランジスタ（全部2SC1815）でBはベース・Cはコレクタ・Eはエミッタです。R１・R2・Reは抵抗、C１はコンデンサ、SWはスイッチ、D１・D2はダイオードです（矢印の向きに電流が流れる）。図ではうまく書けなかったので言葉にしましたが、TR2のエミッタはTR３～TR12のB（ベース）に接続されています。エミッタ抵抗Reは１０本必要です。┼記号は４線ともつながっているという意味です。

【回路概要】　この回路はトランジスタの電流増幅率にバラツキがあっても駆動電流が変動しないようにTR1とTR2をダーリントン接続としました（計算では、電流増幅率が80以上あれば、出力電流の変動は10%以内）。また、大電流（500mA）を駆動するために、モータ駆動用のTR（３～１２）を１０個並列にしました（トランジスタ１個あたり50mAの電流で済む）。R1とC1でソフトスタートの立ち上がり時間が決まります。D1はスイッチをOFFにしたときにTR1を保護するため、D2はモータの逆起電力からトランジスタを保護するためのものです。ダイオードは普通の小信号用(1S1555,1558など）でいいと思いますが、モータによってはD2に大きな電流が流れて壊れることもあるかもしれませんので、D2はできれば電源整流用の少し大きなものを使ったほうが安心です。

【抵抗値の決め方】

（１）R1・C1の決定
ソフトスタートの時定数（電流が設定の63%になるまでの時間）は t = R1*C で表されます。R1の単位を Ω、C1の単位を F としたとき t の単位は秒となります。例えば R1 = 100 kΩ、C1 = 10 μF のとき、t = 1 秒 となります。10μFのコンデンサには極性があるので、図の上側（TR1のベースに接続される側）を＋極としてください。

（２）R2・Reの決定
モータに流れる電流は次式で表されます。

I = { R2*Vcc - 3*( R1 + R2 )*VBE } / { R1*R2/ β/( 1 + β )^2 + Re*( R1 + R2 )*( 1 + β )/N/β } --- [1]

Vccは電源電圧 [V]、VBEはベース-コレクタ間電圧で0.6～0.7Vです。βはトランジスタの電流増幅率で、2SC1815の場合はランク（O,Y,GR,BL)と電流によって異なりますが、100～500くらいになります（添付のデータシートの「hパラメーターIC」のグラフのhfeと書かれた４本の直線が各ランクの電流増幅率になります）。N は駆動用トランジスタの数で、図では N = 10 としています。 Nを 減らすとトランジスタ１個あたりの電流が増えるので、データシート「hFE-IC」のグラフから分かるように、電流増幅率が下がり、またトランジスタの発熱も大きくなります（コレクターエミッタ間電圧[V]×コレクタ電流[mA]は400を越えてはいけない）。βが大きい場合、式 [1] は簡単になって

I ～ N*R2*Vcc/ { Re*( R1 + R2 ) } ---- [2]

となります。したがって、R2 = R1 / { N*Vcc/ ( Re*I ) - 1 }

Re = 10Ω、Vcc = 6V 、N = 10 、I (モータ電流)を 500 mA としたとき、R2 = 9.09 kΩとなります（100 kΩと 10 kΩを並列接続すればちょうど 9.09 kΩ）。あるいは、R2 を10 kΩのボリューム（可変抵抗) にすれば、手動で電流を変えられるようにもできます。

エミッタ抵抗 Re の発熱量は１個あたり最大で( I / N )^2*Re = 0.025W ですので、普通の 1/4W タイプで大丈夫です（Reが大きいと発熱量が増えるし、電源電圧も大きくしなければならないので10Ω程度がいい）。Reの両端の電圧 Ve を調べてればそこに流れる電流は i [mA] = Ve [mV] / 10 となりますので、10Ωというキリのいい抵抗を使えば電流チェックも楽になります。モータ電流を 500m A としたとき、各Reには i = 50 mA の電流が流れるので Ve = 500 mV となります。そのとき、TR３～TR12のベース電圧 Vb は、Vb = Ve + VBE = 1.1～1.2V になります。TR３～TR12のコレクタ電圧はこれより約 1 V 以上高くないとトランジスタがちゃんと動作しないので、モータの最大電圧が 3.5V のとき、電源電圧は 3.5V + 1V = 4.5V 以上にしなければなりません。なお、この回路は、式 [2] から分かるように、電源電圧 Vcc が変動すると、それに比例して電流値も変わってしまいます。

結局、モータ駆動電流を 500 mA、立ち上がり時間を 1秒、電源電圧を 6V としたとき、R1 = 100 kΩ、R2 = 9.09 kΩ、C1 = 10μF、Re = 10 Ω となります。

乾電池駆動で 500mA も流すと長時間もたない思いますが、実際には 500 mA も流さないのでしょう。

【2SC1815データシート】　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SC1815(L)_ja_datasheet_020129.pdf

回答No.4

joshua01

こんにちは。
どのような用途・負荷なのかもわからず、質問者さんの知識レベルもわからない上、理論的にみているだけで実際には動かしてないので自信なしですが・・・

４つの部品でできる回路をご紹介してみましょう。言葉で説明するので大変ですが。（できれば図に書いてみてください。）
部品は次のとおりです。
抵抗1：１KΩ、抵抗２；１０KΩ、コンデンサ；500～１０００μF（耐圧10v以上）、トランジスタ１（トラ１）：２SB９０６、トランジスタ２（トラ２）：2SC１８１５　
（トラ１は、文字のある面を正面に見て、左からB端子、C端子、E端子。トラ２はE端子、C端子、B端子。ご存じかもしれませんが、Ｂ、Ｃ、Ｅはそれぞれ、ベース・コレクタ・エミッタです。また、トラ２はお持ちのようですが、トラ１は同等品でも良いので入手する必要がありますね。2SB○○型で足が3本ならんでいてねじ止めする穴のある構造のものなら大体どれでも良く、端子順序もかなりの確率で同じですが責任は持ちません。なお、トラ１は放熱のため数cm四方程度の金属板にねじ止めしておきましょう）
電源は5v（単三電池3本～4本）。プラス側にスイッチをつないでおきましょう。

(1)抵抗１とコンデンサを直列にして、電源に接続します。プラス側に抵抗１を、マイナス側にコンデンサを置き、コンデンサの端子には極性（プラス・マイナスの指定）があるので、マイナス端子を電源マイナス側に接続します。
（これで、スイッチを入れた瞬間はコンデンサの両端の電圧は0vですが、ちょっとした「充電式電池」の役割をするコンデンサはゆっくり充電されて両端の電圧が上昇し、数秒で5vになります。これが「モーターが徐々に加速する」仕組みの基本になります。ただし、いきなりモーターをつけてもだめです。また、この回路だけでとりあえず実験すると、コンデンサは一旦充電するとスイッチを切っても何日も0vに戻らないので、両端子間に何か抵抗をつないで（上記の抵抗２で可。）放電させる必要があります。）

(2)　トラ１のE端子を電源のプラスにつなぎ、モーターをトラ１のＣ端子と電源のマイナスの間につなぎます。
これで、トラ１がモーターの回転数をゆっくりにする抵抗として働きますが、まだモーターは回りません。トラ１のE-C間に電流が流れる（抵抗が小さくなる）ためには、トラ１のB端子から少量の電流を流れ出させる（電源のマイナス側にむけて流す）必要があるからです。

(3)　トラ２のC端子をトラ１のB端子に、また、トラ２のE端子を電源のマイナス側につなぎます。これで、トラ２のC-E間に電流が流れるなら、トラ１のＢから電源のマイナス側に向けて電流が流れるのですが、まだモーターは回りません。トラ２のＣ－Ｅ間に電流を流すためにはトラ２のB端子に少々電流を流し込んでやる必要があります。

(4)　抵抗1とコンデンサが接続された点と、トラ２のＢ端子の間を抵抗２を接続します。これで完成です。

スイッチを入れるとコンデンサがゆっくり充電され、電圧が高くなっていきます。すると、トラ２のベースに流れ込む電流が少しずつ大きくなり、するとトラ２のC-E間に流れる電流が少しずつ大きくなり、これはトラ１のＢから流れ出す電流が少しずつ大きくなることに当たるので、トラ１のＥ－Ｃ間の電流が少しずつ大きくなり、これはモータに流れる電流が少しずつ大きくなることに当たるので、モータの回転が少しずつ速くなる・・・というもの。（２SB型と２ＳＣ型のトランジスタは各端子間での電流の方向が逆方向になります。）

ただし、次のように動作そのものに不安があります。
○　正直に申し上げて、この回路をテストしていません。私の回路は想定どおりに一発で動いたことがないので・・・（笑）
○　電源を入れた後に一旦電源を切ったら、次に電源を入れるまでは数十秒休ませる必要があります。（すぐ入れると、モーターはすぐに高回転になってしまう。充電されたコンデンサが放電するまで数十秒。）
○　実はもともとモーターの回転制御はとても難しいです。電流を小さくすると回転数のほかにトルク（回転を始めよう・維持しようとする力）が極端に小さくなるため、「だんだん回転数が早くなる」ことなく、ある電流（電圧）値を超えたとたんに急に回り出すようなことも多いので、回路が正しくてもうまく「加速」してくれるかどうか。
○　なお、コンデンサの容量を大きくすると立ち上がりがなおゆっくりになります。

長くなってしまい、自信もありませんがいかがでしょう。費用もほとんどかかりませんのでお許しを。
お役に立てば幸いです。

参考URL：

http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SB906_ja_datasheet_061120.pdf

お礼

部品点数が4つでできるのは魅力的ですが、モーターの回転制御はとても難しいことがわかりました。ちょっとかるく考えていました。
いちど出直します。ありがとうございました。
設計いただいたのは保存してありますので、いつか読み込めるよう努力します。

回答No.3

inara

「スイッチを入れたあと回転数が徐々に上がる」というのは、手動で上げるのですか？それとも自動的に上がる（ソフトスタート）という意味ですか？

どちらにしても、簡単に実験したいだけであれば、トランジスタ１個（＋抵抗などの部品が4・5点）でできます。kasikomeさんは電子回路はどの程度分かりますか？トランジスタ回路を自作できるのであれば回路図を紹介します。Webで「モータ駆動回路」を探しても判断できないくらいいっぱい出てきますので、かえって混乱するでしょう。トランジスタは1Aくらい流せるものが必要ですが、手持ちのがあれば型番(2SC××××）を教えてください。

補足

ご回答頂きありがとうございます。
ソフトスタートの方ですね、手動ではなくスイッチオンで自動的に回転が上がる方の意味です。
単純に電池とモーターをつないでスイッチを入れた場合のように、その電池とモーター性能そのまんまで最高回転になるのではなく、
スイッチを入れて徐々に回転を上げ、その電池とモーターによる最高点になるようにしたいのです。
部品の役割はほとんど分からないので想像ですが、最高回転になるまでの時間は、その使用部品の大きさといいますか型番もしくは抵抗値
とかで変えられるとおもうのですが。
出来ましたら、回路図とココをこう変えれば早く（遅く）到達するという、部分の部品もお教え願えたらと思います。
スキルの程はキットで渡されれば組み立てられます。
カセットデッキの中身一式分の部品があり、確認したらトランジスタは2SC1815はあります、また型番一式をお教え頂ければ秋葉原の部品屋さんで買ってくることも可能です。
ご教授いただければ幸いです。

回答No.2

hitunion

私なら、定電流回路を使い、０ｍＡから徐々に電流を増やしていきます。
消費電流が５００ｍＡなので、ＭＡＸ５００ｍＡになるように制御します。
まあ、コントロール用のマイクロプロセッサ(ＤＡＣ付なら尚良し)の他に適当なＯＰアンプと低R_{D}なＭＯＳ－ＦＥＴが必要ですが。
定電流駆動なら、モータを過負荷にする心配がありません。

お礼

ＯＰアンプなど検索しつつ探ってみました。
正直いいますともう少し簡単に考えていましたので、
この方式も参考にさせていただき、必ず試作して比べてみます。
ありがとうございました。

回答No.1

noname#215107

直流モーターなのでPWM方式によるチョッパ制御がいいと思います。

PWMとはpulse width modulation (パルス幅変調）のことで、
一定間隔でスイッチをON/OFFするのですが、ONしている時間とOFFしている時間の比率（これをデューティー比と言います）を変化させることで、トータルでモーターに流れる電流を変化させます。
モーターや電球など、電源の変化に対する反応が緩慢なものには、このPWM制御が向いています。

以下のURLではPICマイコンを使ってプログラムでパルスを作っています。それをFETでスイッチしています。
http://www.picfun.com/P12F/p12f06.html

お礼

質問した後、サイトを巡っているうちに
電圧を徐々に上げていくのはモーターの特性上あまりよろしくないと知り、一定間隔でスイッチをON/OFFする方式がよいのかなと思っていました。URLの設計を参考に今一度思案し秋葉へ行こうと思います。
ありがとうございました。