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ＤＣモータの制御
−　ＯＮ／ＯＦＦ，スピード制御　−

更新日２００８．９．２１

今回はＰＩＣでＤＣモータの制御を行います。
まずは、一定方向の回転・停止・スピード制御です。

今回使用したモータ
・
ＤＣモータには目的に応じて多くの種類があります。

写真は左から
・RF-270RHソーラーモーター０１
・FA-130
・RE-140
・ＲＣカー用モータ

今回は、この中のＦＡ−１３０を使いました。ＲＥ−１４０などでも使えます。

FA-130／RE-140の仕様
FA-130RE-140
電圧範囲(V)1.5〜3.01.5〜3.0
適正電圧(V)1.51.5
無負荷回転数(rpm)8,6007,700
適正負荷回転数(rpm)6,4005,400
適正負荷電流(mA)500550

スイッチでモータの回転・停止制御
・
最初は、ＰＩＣでモータを制御する基本として、スイッチ操作でモータの回転・停止を制御して見ましょう。

ＰＩＣでモータを直接制御する事はできませんので、回路図のようにＦＥＴを使います。
また、駆動電圧が異なりますので、ＰＩＣの電源とモータの電源は別にします。

モータは、ＦＡ−１３０を使用しましたが、５Ｖ・１Ａ程度までのモータであれば制御可能です。 ただし、長時間回し続ける場合は、ＦＥＴに放熱板を付ける方が安全です。

より大きなモータを使う場合はＦＥＴを容量に合ったものに変更して下さい。 （例えば、2SK2232であれば、１０Ｖ・３Ａ程度のモータを制御可能です。）

使っているポートは少しいびつですが理由はすぐに分かります。

ブレッドボードに組んだ状態。
ＦＥＴは、2SK2231が手元に無かったので2SK2961で代替しました。余力は少ないですが実験で使うレベルでは（長時間回し続けなければ）問題無いでしょう。

こちらは負荷に使ったプロペラ。

この回路で、ＲＡ２のスイッチが押されたらＲＢ３のＦＥＴを介してモータを回転させる動作をさせます。
プログラムは以下の通り単純です。

	LIST	P=PIC16F84A
	INCLUDE	P16F84A.INC
	__CONFIG	_HS_OSC & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _CP_OFF

	ORG	0
; =========== 初期処理 ===================
	BSF	STATUS,RP0	;■バンク１に切替え
	MOVLW	0F7h
	MOVWF	TRISB		;RB3は出力
	BCF	STATUS,RP0	;■バンク０に切替え
	CLRF	PORTB		;PORTBをクリア

; =========== メイン処理 =================
main
	BTFSC	PORTA,2		;PBS ON ?
	GOTO	motor_off		; No
motor_on
	BSF	PORTB,3		;motor ON
	GOTO	main
motor_off
	BCF	PORTB,3		;motor OFF
	GOTO	main

	END
モータの回転・停止は簡単ですね。

モータのスピード制御

ＰＩＣでモータの回転・停止の確認ができたら次はスピード制御です。

回路図

回路は、前ページの簡易Ａ／Ｄ変換で使ったものに、今回のスイッチとモータを追加しています。

左の積分回路と右の表示回路（ＳＤ１６０２）は、簡易Ａ／Ｄ変換で使ったものそのままです。
また、モータとスイッチは上で行った実験回路と同じです。（スイッチは今回は使いません）

積分回路の可変抵抗の変化に合わせてモータの回転数を変えてみようというものです。
また、可変抵抗の状態やモータの状態をＬＣＤに表示します。

ブレッドボードに仮組みした状態。
ＰＷＭ方式によるスピード制御

ＤＣモータの回転数は、流す電流の量によって変わります。
電流が大きくなるほど回転数も高くなる関係です。（モータが壊れない範囲で）

ですが、ＰＩＣを使ったデジタル回路で電流を制御するのは厄介です。（不向きで再現性が低くなります。）

そこで登場するのがＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）方式です。

ＰＷＭ方式とは、パルスの周期を一定にしてパルス幅を変える事で目的に合った制御を行うものです。
今回のＤＣモータの制御では、モータの電源をＯＮ／ＯＦＦし、ＯＮの割合を変える事で回転数を制御します。

下の図はそのイメージを表しています。

高速回転
ＯＮ

ＯＦＦ
中速回転
ＯＮ

ＯＦＦ
低速回転
ＯＮ

ＯＦＦ
停止
ＯＮ

ＯＦＦ
【参考】
ＰＷＭ方式を別の目的で使った例として、ＬＥＤの明るさを序所に変えるなどがあります。

プログラムの考え方

ＰＷＭ方式の周期とパルス幅をプログラムで制御する考え方を下の図を使って説明します。

周期
周期は１２．７ｍＳとしました。
これを３１分割してパルス幅を制御します。
１分割の時間（４０９．６ｕＳ）はＴＭＲ０割込みを使います。

パルス幅
Ａ／Ｄ変換した値を基にパルス幅を決定します。
積分回路のボリュームでＡ／Ｄ変換結果が変わりますので、ボリュームの回し加減でモータのスピードを変える事ができます。

パルス幅の最大は周期と同じでＴＭＲ０割込み３１回です。
従って、パルス幅の範囲はＴＭＲ０割込み回数で０〜３１の範囲となります。

これに対し、Ａ／Ｄ変換結果はもっと大きな値になります。（例えば１４〜２５０）
そのため、Ａ／Ｄ変換結果を０〜３１の範囲に収めるように変換が必要です。
この方法は以下の手順としました。

  1. Ａ／Ｄ変換結果が最大になるようにボリュームを回しておいて電源を入れる。
  2. 電源投入直後の初期処理でＡ／Ｄ変換を１回行い、0FFhとの差を計算し保存しておく。
  3. メイン処理の中では、Ａ／Ｄ変換した結果に上の差を加算し、１／８して０〜３１の範囲の値を得る。（実際には、２〜３１程度の値が得られる。）

ＴＭＲ０割込みの設定
４０９．６ｕＳのＴＭＲ０割込み設定は以下の通りです。
クロック２０ＭＨｚ
１命令時間０．２ｍＳ
プリスケーラ８
ＴＭＲ００　（フリーラン）
TMR0割込み周期０．２ｍＳ×８×２５６
＝４０９．６ｕＳ

プログラム

今回のプログラムはこちらです。
【2009.1.28追記】
Ａ／Ｄ変換処理中（AD_proc3のループ中）は、ＴＭＲ０割込みを禁止しておくのが良いと思います。


詳細説明は省略しますが、メイン処理，Ａ／Ｄ変換処理，ＴＭＲ０割込み処理で全体の制御を行っていますので、この３つの処理を見れば理解できると思います。


こちらは実験風景。
ＬＣＤの表示
A/D=aa　PWM=pp
Max=mm　dif=dd

aaＡ／Ｄ変換結果を１６進数で表示
ppＰＷＭのパルス幅を１６進数で表示
mm電源ＯＮ後の初回のＡ／Ｄ変換結果を１６進数で表示
dd0FFhと上記mmとの差を１６進数で表示