マイコンによるモーター駆動

ブラシ付ＤＣモーター等価回路
ステッピングモーターの駆動方式
マイクロステップ駆動
三相ブラシレス直流モーター
センサーレス
ローター位置の検出
ホール素子
ドライバー回路
マイルドハイブリッド

一般には三相はUVWで表すようです、必要によりABCはUVWと置き換えてください。
模型のマニアはモーターコントローラをスピードコントローラー（ESC）と言う。

初めに
モーターは
ステッピングモーター
ブラシレス直流モーター
３相同期モーター

などに分類されるが、動作原理は同じである
内部のマグネット回転子（ロータ）を回りのコイル固定子（ステータ）の磁気の方向を
変えてそれに引き付けて決めた方向に動かすわけです。
下図は、ブラシレス直流モーターの物でセンサーホールICの位置（中間にあるので）にS/Nの境界が来た時
コイルに流す電流の方向を切り替えることで回転方向に回転子を移動させることが出来る。
三相モータ
ステッピングモーターは固定子の電流を切ってもその位置を保持する
各ステップごとに既定位置に停止するのが基本でなめらかに動くことは二の次になっている。
ステッピングモーターでも高速で回っているときはたの同期モーターと変わりありません。
各ステップごとに既定位置に停止することを利用して位置判定を省略できる利点がある。
しかし作る方としては、与えたパルスからずれる脱調という困難な問題をかかえこむわけです。
脱調の検出は通常エンコーダを追加し駆動パルス数とエンコーダのパルス数を監視し違いが出たらＮＧとするが、
駆動電流を見て過負荷になるとアラームを出すドライバーもあるようです。

マイコン内臓タイマーカウンターを使ったステッピングモーター駆動

ステッピングモーターの駆動方式
１相駆動
２相駆動
１／２相駆動
マイクロステップ駆動
がある

図１／２相駆動に動作状態を示す
 この図のうちある時間に特定のコイルだけが励磁されるものを１相駆動
 逆に１相駆動の部分がないものを２相駆動という。
 ２相駆動、１／２相駆動がよくもちいられるようだ。
 これはおなじモーターを使ったとき１相駆動より２相駆動、の方がトルクが大きいためです。
 １／２相駆動はさらに動きがなめらかになる特徴があり、脱調に強くなる。

マイクロステップ駆動
 １／２相駆動のつなぎ目をさらにスムーズにしようと考えると結局サイン波になってしまう。
 各コイルに流れる電流をＰＷＭでサイン波にする、加減速時動作はAC同期モータと同じ
 １／２相駆動より動きがなめらかになるとともに、もっとも脱調に強い。

 ほとんどのマイコンのタイマーカウンターはＰＷＭを出力でき，
 ２ＣＨ出力できればステッピングモーターの駆動ができる

等加速度運動
 駆動すべき相手は色々有るが必ず重さがある、
 脱調もこの重さ　慣性ともいうが原因である、モーターから見ると必要トルク∝重さ＊加速度なので、
 加減速度の限界は速度によらず等加速度となり等加速度運動、台形駆動などとも言う。
 この原理はステッピングモーターでも変わらない原則で守らないと脱調してしまう。

Ｓ字駆動
加速の開始、減速の最後では急激に加速度が変化する、電車に乗っているとこのことは足元が不安定になったりたまには転げたりすることになる。
最近の電車は制御が滑らかになり快適に成った、かつてはモータの直列、並列を張り替えたりする時ガタガタ言ったものである。
機械系でもおなじらしい、ギアにバックラッシュが有るとここでガタンと言って脱調してしまう。
そこで加速の開始、減速の最後の変化を旨く調節してなめらからに動かすほうほうである。

ブラシレス直流モーターの駆動方式
　３相駆動
　２相駆動
がある
２相駆動
　はマイクロステップの１／２相駆動と同じ動きとなる、
　ただしロータの動きを検出してステ‐タの電流を切替えている点がちがう
　これは卵と鶏の関係ではない、脱調という問題を回避し負荷の重さで
　最大の加速度を得られ、モータの実力を１００％出せることになる。
　ドライバーが１コイル２回路、計４回路必要となる

３相駆動
　２相駆動よりトルク変動がなめらかな上、ドライバーが３回路でよい。
　すべてのコイルに電流がながれるので、コイルの利用率が良い

単相駆動（おまけ）
２相駆動の実験台を手に入れようとDCファンを分解してみたら、コイルの線が２本しか無かった。
　写真
　DCファンは単相なのだそうだ、つまり２極モータ子供の頃キットで作った右左どちらでも回るやつ。
　写真のは４極だが巻線は１本が芋づる式に巻かれていて、２極を９０度ずらし組み合わせている。
　起動時はコイルが磁化されると、磁極の僅かなずれでロータが移動し、これをセンサーが検出してコイル電流を切り替えるようだ。

ロータの動き検出
　ロータの動きを検出してステ‐タの電流を切替えるため、ロータ位置を検出する必要がある。
　これにホール素子、光デテクター等のセンサーを使うものと
　ステ‐タの逆起電力を検出するセンサーレス方式がある
図ホールICによる回転検出

センサーレス
 ステ‐タの逆起電力を考えたがけっこう頭が混乱する、まず問題を整理するために逆起電力について考えよう。
 もっとも単純な等価回路で現せるのがブラシ付ＤＣモーターである。
 下図のように回転数Ｎに比例した電圧が得られる、
ブラシ付ＤＣモーター等価回路

 ある電圧の時、 モーターの無負荷回転数時、逆起電圧Ｅｃは。

　Ｅｃ(Nmax)＝Ｅａ−Ｒａ×Ｉａ
 Ｒａはテスターで計れる。
 これは直流値なので実験も簡単だ。

 ECはコイルが磁束線を切るときに発生しその速度（ここでは回転数）に比例する上記等式がこの平行点だ、またコイル巻数にも比例する。
 高速回転させるには、コイル巻数を少なくすれば良い訳だ。

 ブラシ付ＤＣモータはブラシで整流しているだけである、ブラシレスでも同じことがおこっているはずだ。
 ブラシレスはＡＣモーターとほぼ同じ構造なので空コイルにはサイン波の一部が現れるはずである。
 これの検出のためには巻線はスター結線である必要がある、デルターでは無理だ。
ブラシレス三相モータで実際に測って見る

緑の線がＣｏｍｍｏｎ、黄色がＡ相


ＤＣモータで回す、と


サインウエーブのような波形が、切り替える辺りの立ち上がりが良いのでうまく検出できるはず。
５０ＨＺにちかいのは偶然です。

２相インバーターの設計
ジャガーハイブリット化？のためにコンプレッサを動かすインバーターを設計する
 インバーターエアコンは三相モーターが使われている、しかし今のところ単層の物しか手に入らない。
 これをは進相コンデンサで２相化しているわけで、２相インバーターを造れば進相コンデンサはいらない。
仕様
周波数４０〜７０ＨＺ
出力波形ＲＴＺ　０Ｖの期間がある　　
Ａ相　~~~~----______----~~~~

Ｂ相　----~~~~----______----

出力電圧　１２０Ｖ固定、ＰＷＭで電力を可変する
ＰＷＭはタイマーで出しＦＥＴをスイッチする。
波形と磁束の関係はこのようになる、＋−の線に同じ電圧がかかればその相の駆動電圧は０Ｖになる


PWM制御
 ＤＣモータの等価回路によりＥcが回転に比例するなら、Ｅａを変えれば回転速度を制御できるる、無負荷ならほぼ比例する。
 Ｅａ＝電源電圧を変えるのは面倒なのと、負荷の変化に素早く対応するには、 電源電圧を変えるよりＯＮ／ＯＦＦした方が早いし、
２個以上のモータを繋ぐにはこの手しかない。
ソフト設計
 どう処理するべきかかんがえていたところ、かつて試みた。
 ピエゾブザーを駆動するのだが、どうせなら音量もソフトで可変できるように考えた。

ソフトによるPWM
 のようにパターンを読み出して、出すだけの手口でうまくいく事がわかった。
 Ａ／Ｂ相が同時に駆動される時に磁力が√２倍になってしまい、うまい回転磁界にならない。
 Ａ／Ｂ相が同時駆動の時は１／√２で駆動すればいい訳だが、これにはＰＷＭを使うのが良い。
 擬似正弦波をもっと本物ぽく演じる訳だ。

モーター駆動実験
簡単に実験する方法
 ハードディスク（HDD）を分解するとＤＣ三相ブラシレスモーターが出てくる。
 これは無負荷なら５Ｖでも回る、そこでドライバーＩＣなしで実験できるように考えた。
 ＤＩ／Ｏ直結でも動くと思うが７４ＨＣ１２５を入れた方がいい、ＬＳタイプはうまくないでしょう。
 この場合ＡＣ端子は無電圧区間でオープンとする。
Ｅａ

三相モータの駆動
三相では下図のように接続、駆動する（電圧の中点はハイインピーダンス）

駆動回路 DriverCirkit	



矩形波駆動
 は１２０度駆動、１８０度駆動があるが、センサーレスのための逆起電力の検出が容易な１２０度駆動で考える
１２０度駆動では
 　設定値は０ｘ０がマイナス、０ｘＦＦがプラス　０ｘ７７がＨｉＺとする　ＨＩＺの時、逆起電力を見る
０ｘＦＦ
０ｘＦＦ
０ｘ７７
０ｘ０
０ｘ０
０ｘ７７
 これを相によってずらしながら読み出せばいい訳だ。
 Max 6000rpmとして１００＊６回／秒の切り替えが必要。
上のテーブルでは３値論理になってしまうので、ON/OFF（offは中性点から見るとマイナス）と3Stateの組み合わせでジェネレータを作って見た。
3Fase 120Deg Drive Table 

 速度を可変するには電源電圧と周波数を同時に変える（と言うより極性は回転するに応じて適切に切り替える訳で、速度制御は電源電圧＝ＰＷＭ側に掛ける、周波数は結果的に変わるが当然慣性のため遅れが出る）。
 前記のように電源電圧を可変する代わりに、ＰＷＭを使う方法が一般的。
 回路に下記図の追加を行えば良い。
PWM

  マイコンの中でＡＮＤ演算が出来れば良いが処理に時間がかかるようになる。
  ＰＷＭ波形自体はマイコン内臓のタイマーで簡単に出来る。

マイコンの回路　MicrocomputerCirkit
MC9S08G8を使用 pwmはPTA0/B5しか出せないのでA0を使用


手作り基板　モニター用LEDを追加している


ドライバ（プロトタイプ）driver_Cirkit
P&Eのデバッガが調子わるいので、動作確認をTWR-S08LL64で試した見た、Furtos必要
LED2~4をABCとして使用、LED1はPTM0と兼用なのでPWMを試して見るつもり。

動きませんな、電流がすくなすぎました。
ドライバーICを使っても良いのですが、三相用は機能満載で動作の学習用としてはいま一つです。
ディスクリートで組みましょう。

どちらでも良いが右はICが一種類で済む、実用には短絡電流防止の追加が必要。

SLA5064
ICを使う　三相用は機能満載と思っていたらこんなのを発見、アキバAにある、
サンケンSLA5064はFETアレーのような原始的なIC

MOS−FETは
短絡に強いので好都合、配線も多少減らせる

3Fase Motor Driver
PWM_Driver

ソフトは少し面倒だがハードを簡単にする方向で考えて見た。
短絡電流防止もソフトで入れる、高速回転ができるか？
　必要なら高速なCPUに変えよう。

トランジスタは2sc1815 2sa1815
7432は74HC32、VCCを5Vにして3V―>5V変換をしている
PWMはUPのみに掛けているがキックバック電流の流れ方は実物で確認するのかな、どこかに検出抵抗が必要かもしれない。
これで回った、モータによってはトランジスタを一回り大きい物を使う必要がある
保護はＲとHfeで決まる最大電流によるためＲの選定には注意が必要。

いまのところ位置検出が出来ていないので、ドッドッとぎこちなく回る。
センサーレスはここいらがむずかしいらしく、位置検出がうまく行く速さまでうまくもって行くのにコツが必要らしい。

変更後、ソース　Furtos必要
3Fase Motor Driver_new
基本的にはパターンを入れ替えただけだが、動作確認済み。
もとのソフトにあったバグを修正してある。

より高電圧にするには
東芝のドライバICの参考回路
モータの下の三本の抵抗は、仮想中性点、これでも良いらしい。
左隣の１Ωは電流検出用、120°駆動ではハイサイド、ローサイドとも同時には１個駆動されているだけなのでこれでＯＫ。
 OUT_xPと名前が付けられた13,15,17端子からnpnのエミッタに接続されてこのTransistorはベースフォローアで動作し、
電流増幅率は≒1で電圧レベルのみシフトしていることになる。

この回路のDriverをSLA5064にしたドライバー基板を製作中、乞うご期待。
 回路図



水魚堂さんのmbeで基板を設計　部品面よりの透視図

SLA5064のところはベタになっていて放熱を良くしている。
シルクはとくに必要ないので、趣味の基板やさんに発注した。

出来上がって来た基板

SLA5064の実装はＯＫ、大電流を流すのは一層では厳しいか
基板が出来てからで、前後するがベース接地を使うのは初めてなのと定数を決める必要もあり、シュミレーション。
回路シュミレータは今回はLinux上ではなくＷｉｎ７で行う、簡単に使用開始できそうで制限の少ないものを探した結果
TINA-Ti（アナログ専用、Windowsのみ動作）にした。
Tiのパーツのみと言う制限は大きいが互換品でも問題ないし、サンプルをもらってもいい訳だTiは小物ならサンプルがもらえる。
P-Cannelの方がゲート容量が大きいのでこっちがＯＫならよしとする。シュミレーション回路は下記

10KHZでの動作は問題なさそうだ、赤がVM1=OUTの波形

定数が決まったので組配
部品面、、ジャンパ多数

半田面、主要なSLA5064がある、もう一つはLM317タイプのレギュレータ5Vを作っている

テスト
SLA5064はFET以外なにもなく保護回路も無いので、全てソフトの責任で動作させる。
貫通電流はまず抑えたいところ。
電流センサー０．３Ωはとりつけてしまったがこれを外して貫通電流が流れても最大規格を超えない値にする。
この回路で最小の電源電圧は9Vなので３Ω以上が必要。
ＣＰＵ基板が出来たのでドッキング、電解コンが少し干渉したがＯＫとしよう。


モーター？
マイルドハイブリッド


じつはこのプロジェクトのターゲットはこれなのだ
発電機（オルタネータ）＝モーターなはずなので、ＯＬＤＣＡＲの補助動力にならないかやって見る。

マイルドハイブリッド車が注目されている
オルタネータがエンジンが600rpmから12V発電すると仮定すると、48Vになるのは2400rpm。これ以上になるとモーターとして機能しない。
少し物足りないがここいらの回転数のトルクを高めると使いやすく省エネな車になる。
最近の車はもつと低回転から充電する、なので利用可能な最高回転はさらに下がる。

ローター位置の検出
中性点（COM）とＹＵＷの間の電圧波形を見るため下の図のような簡単な回路を追加した。

波形を見てみる、黄色の⇔の間が非駆動区間

手で触ってブレーキをかけると

なんとか検出できそうだ。

ﾃﾞｰﾀ化して見た

A/Dの出力はこんな風になるだろう
アルゴリズム
非駆動区間だけＡ／Ｄコンバータを動かしゼロクロス？点をさがす
本来なら波形の最大点を見るべきなんだろうが、微分を使うとノイズの影響が大きくなるのでこちらでやって見る
非駆動区間の平均をゼロとする、
 非駆動区間の平均とのクロス点を求める、これを次の切り替えタイミングに利用する。
まず最低限の性能を満たすか
600RPM->10RPS
1degの分解能では
360*10=3600/Secサンプルする
1/3600=2.7*10~4
270usの変換速度が必要
MC9S08では
10ビットの単独変換または連続変換の最初の変換
　43ADCK サイル+5 バス・クロック・サイクル
10ビットの連続変換の2回目以降の変換
　40ADCK サイクルADCK8MHZまで可
 40/8M=5/10~-6
 5usでＯＫ
　
6000RPMまで行けるか

切り替えタイミング
下の画像ホールＩＣセンサー・ブラシレスモータを見るとHole-ICの位置が微妙な配置になっている
Hole-ICの磁界がＮ→Ｓ　Ｓ→Ｎと変化する時が駆動開始、終了となるので位置は微妙になるのか、
動作モードが最大効率、最大トルクで違う気がする。

実験用ブラシレスモーター
 ハードディスク（HDD）を分解するのが近道
 ほとんどのHDDはトルクスネジを使っている。
 まず２ｍｍていどのトルクスレンチを入手するＤＩＴ店にある、これより細いものは簡単には手に入らない。
 自前の不要HDDをもっとも完全に消去できる。
 無ければ、ＰＣショップでジャンクを売っている店でこのトルクスレンチに合うジャンクHDDを買う、
 ３．５インチの古いものなら合うものがあるはずだ、ジャンクで１００円くらいか？。
 ２．５インチの物でも出来る、ただモーターだけを取り出すことは出来なかっかかた、ディスクをはずせばアームの抵抗はないのでこのままても実験出来る。
トルクスネジの小さいのを使っていたが、マイナスドライバーを鑢で整形してネジに合わせることで外せた。
メーカーはIBM-HITACHI他社の物はネジが硬く外す事が出来なかった。

 センサー付きならＣＤドライブを分解すると出てくる、ホールＩＣが見える（３個の黒いＩＣ）
 端子もそのまま出ているので実験には最適

ホールＩＣセンサー・ブラシレスモータ

CD-Driveを分解したら出てきた、FFCケーブルのコネクタさえなんとかなればこちらの方が近道、
　Ａテンドウあたりで変換基板があればもうけもの

ホール素子、ホールＩＣ
朝日化成の資料ホール素子の使い方PDF
半導体の性質上、温度係数が大きく、定電流駆動が必要

速度制御

VVVF
速度制御でよく出てくる言葉
可変電圧可変周波数制御のことで正弦波インバータの出力を周波数、電圧とも可変できるものでACモーターを速度制御するのに使われる＝AC-Srvo
DCモータもブラシレスは原理的には同じなので使えないはずは無いが、製品では検出回路を持っている物はないと思う。
電車はほとんどこの方式でＡＣモータを駆動している。

ベクトル制御
となにやらむずかしい
実際には回転子に対し、回転磁界は進んでいないと力がでないし、進みすぎるとスリップしてしまう。
遅れると発電機になり、同じであるとコギングをおこす。
この辺をうまく調整するのに直流指示値＝正の実数で出来るようにすることを言うらしい
当然回転磁界なので実際の動きは正弦波駆動以外ないし、速度を上げるには電圧を上げることに変わりない。
　がPIDのような常に変化する物を扱うには単純明快な物が必要と言うことらしい。
実際の２相正弦波を界磁コイルと回転子の直流励磁電流で表せるような制御をするのだがこの辺の変換は数学的に確立しているので、公式に当てはめればよいらしい。
２相正弦波から３相正弦波への変換はたやすい。

モータの効率
  一定ではない、かなり低い回転で最高になる、このため車で使う時はギァとセットが良いらしい、アマチュアがガソリン車をＥＶに改造する時にはそうする事が多い。

資料
２００６／８月号からCQトランジスタ技術に　
  実践講座 小型モータの選定とその制御技術〈第1回〉が掲載されています
　2007/11まで連載

InterFace ２０１４／４
　ワンチップでなめらか!最新モータ制御

ブラシレスモーターの実用技術
　谷腰 欣司　電波新聞社

グリーン・エレクトロニクス No.4
　モータの動かしかた早分かり
　　ＣＱ出版

InterFace ２０１６／５
 5000円キットで初体験、トルク自由自在最新モーター制御

アニメブラシレスモータの作動原理
電子技術者が知っておくべきモーターと制御
　いろいろな形式のモーターの特徴が書かれている。
ＴＯ　ＴＯＰ
ＴＯ　ＲＴＯＳ