平成26年度熊本高専Arduino講座 第3週 DCモータの制御
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熊本高等専門学校が行ったH26年度社会人講座のArduinoによる実用講座 第3週で利用されたスライド資料です。電子工作入門者向けに、DCモータの制御をテーマとしています。講義担当はMI科の湯治准教授です。
平成26年度熊本高専Arduino講座 第3週 DCモータの制御
- 1. 平成26年度熊本高等専門学校社会人講座Arduinoによるマイコン実用講座（3週目） 担当：湯治 １．ミニ扇風機 スイッチで風量切り替え，温度セ ンサで自動切換え，ゆらぎ機能， 液晶キャラクタディスプレイ（LCD） への表示 1 DCモータの制御 ２．ベンハムのコマと回転数の検出 可変抵抗による回転速度の制御（ベンハムのコ マ），フォトリフレクタを用いたロータリーエンコー ダの製作，回転数の検出と表示
- 2. 2 Arduino 回転方向切替え，速 度指令，停止などの 制御信号を作る ドライバIC （TA7291P） Hブリッジ回路で正転/逆 転の制御が可能 DCモータ （RE-140RA） 電気（電流）を力 （回転力）に変換 １．ミニ扇風機 扇風機工作用プロペラ（羽） 回転力を風に変換．逆に回転させると 換気扇になる．（購入先：けい・くらふと）
- 3. 3 DCモータ（RE-140RA-2270）の性能 使用電圧範囲1.5～3.0V 適正電圧1.5 V 適正負荷0.49 mN･m 無負荷回転数7,200 rpm 適正負荷時の回転数4,700 rpm 適正負荷時の消費電流560 mA
- 4. DCモータ用フルブリッジドライバ（正・逆切り替え ドライバ） TA7291P 4 端子記 号 端子番 号 端子機能の説明 Vcc ７ ロジック側（回路用）電源 Vs ８ 出力側（モータ用）電源 Vref ４ 制御電源端子 （モータ電圧調整用） GND １ GND IN1 ５ 入力端子← Arduinoから IN2 ６ 入力端子← Arduinoから OUT1 ２ 出力端子→ モータへ OUT2 １０ 出力端子→ モータへ Vcc = 4.5～20 V 5Vを出力するマイコンで使いやすい． Vs = 0～20 V ただし，内部ロス（Vsat）を考慮して印加すること． Vref = 0～20 V ただし，Vref ≦ Vsとなるように使用する． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
- 5. Hブリッジとは・・・単一電源で電流の向きを変える Vs Vs Vs Vs 5 ２．正転モード （CW） ３．逆転モード （CCW） １．停止モード （ストップ） ４．ブレーキモード （※短絡制動） 内部ロス Vsat 約1V ※回転してい るときのみ， 短絡電流が流 れ， この電流 によって制動 力が発生する． 内部ロス Vsat 約1V
- 6. 6 TA7291Pのファンクション 入力出力 IN1 IN2 OUT1 OUT2 モード Arduino Arduino モータ（赤） モータ（青） 5番ピン 6番ピン 0 0 ∞ ∞ ストップ 1 0 H L 正転CW 0 1 L H 逆転 CCW 1 1 L L ブレーキ ∞：ハイインピーダンス（開放と同じ）
- 7. 回転速度を制御するときには・・・PWM制御 モータに与える電圧は最大に固定し，モーターをONにする時間 （TON）とOFFにする時間（TOFF）を変える．⇒ マイコンでやりやすい 電圧 TON TOFF ON OFF T（周期） T は0.001～0.01秒程度 つまり，1秒間に100～1000 回程度繰り返す． デューティー比D＝TON／T 時間 ON Vmax 平均 時間 平均 平均 平均 電圧 D＝1.0 D＝0.75 D＝0.5 D＝0.25 ここでは，TA7291PのIN1に与える信号をPWM波にすることで， 風量（回転速度）を変える．
- 8. 8 スイッチで風量切り替え用の配線 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 モータ RE-140RA 4.7k 1.6k 単3 ４本 6 V 風量 SW 割込 SW
- 10. 10 課題１．スイッチを押しているときだけ回転する． 回転速度は最大とする． int IN1 = 5; // TA7291P 5番ピン int IN2 = 6; // TA7291P 6番ピン int SW = 4; // スイッチ4番ピン void setup() { // モーター制御用のピンモードを「出力」 に設定 pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT); // スイッチのピンモードを「入力（プルアッ プ）」に設定 pinMode(SW, INPUT_PULLUP); // モータの初期状態（ストップ） digitalWrite(IN1,LOW); digitalWrite(IN2,LOW); } void loop() { if(digitalRead( ) == ){ // 正転（風が来る） digitalWrite(IN1, ); digitalWrite(IN2, ); }else{ // ストップまたはブレーキ digitalWrite(IN1, ); digitalWrite(IN2, ); } } できた人は，逆回転（換気扇）にして動作確認をしてください．
- 11. 課題２-1．スイッチを押す度に風量（回転速度）が切り替わる． 最初は「停止」．１回押すと「弱」，２回目は「中」．３回目は「強」，４回目は「停止」 analogWriteのPWM波（490Hz）を利用した方法です．周波数は変えられません． int IN1 = 5; // TA7291P 5番ピン int IN2 = 6; // TA7291P 6番ピン int SW = 4; // スイッチ4番ピン int val = 0; // 風量変数（初期値は0） int S = 90; // 弱 int M = 170; // 中 int F = 255; // 強 boolean sw_now; // 現在のスイッチ状態 boolean sw_before = 0; // 1回前に読み取ったスイッチの状態 11 void setup() { pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); digitalWrite(IN1,LOW); digitalWrite(IN2,LOW); } void loop() { // 今のスイッチ状態を読み取り，sw_now変数へ代入する． sw_now = digitalRead(SW); // OFFなら「１」,ONなら「０」が入る. // スイッチがOFF（HIGH) からON（LOW) になったら if((sw_now == 0) && (sw_before == 1)){ if(val < 4){ val++; // 風量変数を１つ進める } } // 「弱」 if(val == 1){ analogWrite(IN1,S); digitalWrite(IN2,LOW); } // 「中」 if(val == 2){ analogWrite(IN1,M); digitalWrite(IN2,LOW); } // 「強」 if(val == 3){ analogWrite(IN1,F); digitalWrite(IN2,LOW); } // ブレーキ（またはストップ） if(val == 4){ digitalWrite(IN1,HIGH); digitalWrite(IN2,HIGH); val = 0; // 風量変数を0に戻す } // 今のスイッチ状態を前の状態変数へ代入 sw_before = sw_now; }
- 13. 課題２-２．スイッチを押す度に風量（回転速度）が切り替わる． 最初は「停止」．１回押すと「弱」，２回目は「中」．３回目は「強」，４回目は「停止」 直接，PWM波を作る方法です．周波数を自分で変えられます． 13 if(0 < val && val < 4){ digitalWrite(IN2,LOW); digitalWrite(IN1,HIGH); delayMicroseconds(val * 3200); digitalWrite(IN1,LOW); delayMicroseconds(9900 - val * 3200); } if(val == 4){ // ブレーキ digitalWrite(IN1,HIGH); digitalWrite(IN2,HIGH); val = 0; } // 今のスイッチ状態を前の状態変数へ代入 sw_before = sw_now; } int IN1 = 5; // TA7291P 5番ピン int IN2 = 6; // TA7291P 6番ピン int SW = 4; // スイッチ４番ピン int val = 0; // 風量変数（初期値は0） boolean sw_now; // 現在のスイッチ状態 boolean sw_before = 0; // 1回前に読み取ったスイッチの状態 void setup() { pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); digitalWrite(IN1,LOW); digitalWrite(IN2,LOW); } void loop() { // 今のスイッチ状態を読み取り，sw_now変数へ代入する． sw_now = digitalRead(SW); // スイッチがOFF（HIGH) からON（LOW) になったら if((sw_now == 0) && (sw_before == 1)){ if(val < 4){ val++; // 風量変数を１つ進める } } オシロスコープで，「弱」「中」「強」それぞ れのPWM波形を観測し，周波数を調べ てみよう．
- 14. 14 課題３．温度によって自動で風量（回転速度）が切り替わる． 例えば，T≦25℃では「弱」，25℃＜T＜30℃では「中」， 30℃≦Tでは「強」 ※温度範囲は現在の室温に応じて自由に変更してください． ・温度センサ（LM35）を使って温度を取得 ・温度によってval を決定する． ・ストップは無し
- 15. 課題４．割り込みを使った「ゆらぎ」機能の追加．通常の動作中 に，「割込みスイッチ」を押すと，風量（パルス幅）が変化し，もう 一度押すと元の動作（風量一定）に戻る． ・課題２までの方法は，スイッチを押さないときもスイッチが押さ れているかどうかの状態を繰り返し確認し続けている．この定 期的に状態を確認する方法を「ポーリング」という． ・通常の動作中に，別の動作の要求があるときだけ，その動作 をさせたい場合には，「割り込み」を使うと便利． ・スイッチのチャタリング防止のため，一定時間，割込み処理を 行わないようにする． 15
- 16. Arduinoの外部割込みattachInterrupt() 注意 ・割り込みで呼び出される関数の中においてはdelay() は機能しない． ・関数内で値が変化する変数には，volatileをつけて宣 言する． ・Leonardoでは，２番ピン（int.1）と３番ピン（int.0）を使 う．（UNOは2番ピンが（int.0） で3番ピンが（int.1）） 課題フォルダのスケッチをコピーして実行してください． 16
- 17. コントラスト 調整用 17 液晶キャラクタディスプレイ（LCD） マイコンで測定値を表示するために，７セグLEDやLCDがよく用いられる．
- 18. Arduinoと接続する端子は，青枠で囲んだ６本（最も 少ない配線）だけでよい． LCD（SD1602V）のピン割り当て No. 記号機能No. 記号機能 1 VSS GND 9 DB2 Data Bit 2 2 Vdd 電源電圧5V 10 DB3 Data Bit 3 3 VO コントラスト調整11 DB4 Data Bit 4 4 RS レジスター選択12 DB5 Data Bit 5 5 R/W Read/Write選択13 DB6 Data Bit 6 6 E 動作起動信号14 DB7 Data Bit 7 7 DB0 Data Bit 0 15 A バックライト（＋） 8 DB1 Data Bit 1 16 K バックライト（－）
- 19. 19 LCDの配線 変則的なピン配置なので注意する 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 16 15 7 ～ 6 ～ 5 4 ～ 3 2 1 0 A0 A1 A2 A3 A4 A5 VREF GND ～13 12 ～11 ～10 ～ 9 8 DIGITAL (PWM ～) POWER ANALOG IN 3.3V 5V GND GND Vin 100 10k
- 20. 20 課題５．温度をLCDに表示する． 温度センサを使った温度計測のスケッチに以下を追加する． #include <LiquidCrystal.h> // 構文LiquidCrystal(rs, enable, d4, d5, d6, d7) LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13); void setup() { lcd.begin(16, 2); // 桁数と行数を設定 } void loop(){ 温度センサの部分は省略, Serial.println(temp)のところに以下を追加 lcd.setCursor(0, 0); // カーソル位置を１行目に設定 lcd.print(“T = ”); lcd.print(temp, 1); // 少数点以下１桁まで表示 delay（500）; ｝
- 23. 課題７．可変抵抗で風量，回転方向を変化する． • 可変抵抗の2番端子をArduinoのアナログ端子（A1）へ接続する． 23 1 2 3 3 1 つまみ 10kΩ 2 void loop() { int vol_val = analogRead(A1) ; //可変抵抗の値を取得 // 可変抵抗の値（0～1023）をアナログ出力（PWM）の値（－255～ 255）に変換 int speed_val = map(vol_val, 0, 1023, -255, 255); // PWMの値が「5」より大きいとき「正転」 if( speed_val > 5){ analogWrite(IN1, speed_val); digitalWrite(IN2, LOW); // PWMの値が「－5」より小さいとき「逆転」 } else if(speed_val < -5){ digitalWrite(IN1, LOW); analogWrite(IN2, -speed_val); // それ以外（±5の間）のとき「ブレーキ」 } else { digitalWrite(IN1, HIGH); digitalWrite(IN2, HIGH); } } 中央の位置にあそ び（±5）を持たせる
- 24. モータの回転数を検出するロータリーエンコーダ • ロータリー（Rotary) ⇒ 回転する • エンコーダ（encoder) ⇒ 符号化する装置 24 出典：ロータリーエンコーダVer2資料（ジャパンマイコンカーラリー実行委員会）
- 26. フォトインタラプタを用いたロータリーエンコーダの回路 反射型フォト マイクロセンサ ※D２番をプルアップに設定すると青の抵抗は削除できる 基準電圧調整用 10k 26 100 10k EE-SF5（OMRON） コンパレータ(LM393) 8 7 6 5 A B - + + - Out A V+ GND 1 2 3 4 K A E C 5 V GND （外部割込み） D2番 10k 動作確認 １．ベンハムのコマをモータに取り付け，回転させながらフォトセンサの上にかざす． ２．フォトセンサの出力（コレクタ端子）の波形を観測（波の下限の電圧を確認）する． ３．コンパレータ３番端子の電圧がフォトセンサ出力電圧の下限よりも高くなるよう に基準電圧調整用抵抗を変える（およそ３～４V）． ４．コンパレータ１番端子の電圧がきれいなパルス波形になっていればOK．
- 27. 課題８．ベンハムのコマを利用して，回転数（RPM）を検出し， LCDに表示する． ・パルスの変化は早いため，外部割込みで0→１の変化を検出する(ポーリン グ処理では取りこぼす）． ・フォトセンサの出力が安定しない（ふらつきが大きい）ため，コンパレータの 出力も，ノイズの影響でチャタリングが生じる．ハードウェアで解決するには， ヒステリシスを設けるが，ここでは，割込み関数内で，一定時間は割込み処 理を行わない方法で対応する（課題４と同じ）． ・今回のコマは，白黒が４組あるため，１回転すると４パルス発生する．した がって，１秒間パルスの立ち上がりをカウントし，それを４で割ると１秒間当 たりの回転数（RPS）が求まるので，これを60倍して（RPM）に変換する． 27 課題フォルダのスケッチをコピーして実行してください
- 28. 参考図書（WEB）・購入先 • Massimo Banzi著，船田巧訳：Arduinoをはじめよう第２版，㈱オライリー ジャパン，2000円+税 • 河連庸子，山崎文徳，神原健著：Arduinoスーパーナビゲーション，リックテレコム， 3600円+税 • 建築発明工作ゼミ2008 基本から応用まで詳しく解説されています． http://kousaku-kousaku.blogspot.jp/2008/07/arduino.html • アイデア・ハック!! Arduinoで遊ぼう（7）：白黒なのにカラーに見える!? モーターを制御し て「ベンハムのコマ」を作ろう！ http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1401/07/news003.html • 部品の購入先 Arduino：スイッチサイエンスhttp://www.switch-science.com/ 電子部品：秋月電子通商http://akizukidenshi.com/catalog/ 皆様お疲れさまでした． 28