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おもしろ科学実験室(工学のふしぎな世界)

プログラムでDCモータを回す方法

2018年4月12日
徳島大学 理工学部

テーマ

 マイコンボードArduinoを使って、プログラムでDCモータを回す方法を説明します。

仕組み

 DCモータは、電池などの直流電源を接続すると回転する機械です。回転の速さは、電源の電圧に比例するという特徴があります。図1は、スイッチを付けたDCモータの様子です。スイッチをオンにすると、電流がDCモータに流れ込んで、DCモータは回転します。

図1 DCモータの回路

図1 DCモータの回路

トランジスタ

 今回は、トランジスタをスイッチとして使います。
図2に示すように、トランジスタの端子のうち、エミッタ端子をグラウンドにつなぎ、コレクタ端子を電圧源につなぎます。ここで、ベース端子に電圧をかけて電流を流すと、コレクタ端子からエミッタ端子に電流が流れるようになります。このとき、ベース電流は小さい値ですが、コレクタ端子から流れ込むコレクタ電流は大きいものになります。つまり、小さいベース電流で、大きいコレクタ電流をオンオフできる、スイッチになります。

図2 トランジスタのエミッタ接地回路

図2 トランジスタのエミッタ接地回路

図3 今回使用したトランジスタ2SC2120

図3 今回使用したトランジスタ2SC2120

マイコンボード

 マイコンボードはArduinoマイコンボードを使用します。このマイコンボードは、パソコンでプログラムを作成し、それをマイコンボード側に焼くことで動作させることができます。今回、9番ピンをトランジスタのベース端子に接続します。このとき、間に1kΩの抵抗を挟みます。9番ピンをHighレベル(5V)にすると、約5mAの電流がベース端子に流れ込みます。これにより、コレクタ電流が流れるようになります。モータ側の回路とは、グラウンドを接続します。

図4 Arduinoマイコンボード

図4 Arduinoマイコンボード

回路図

 マイコンからの信号でトランジスタを操作して、DCモータに電流を流して回転させる回路を図5に示します。DCモータの電線の一方を電池の+極に接続し、もう一方をトランジスタのコレクタ端子に接続します。トランジスタのベース端子は抵抗(1kΩ)を通してマイコンボード(Arduino)に接続します。トランジスタのエミッタ端子をグラウンドにつなぎます。トランジスタのベース端子にマイコンボードから電圧をかけて電流を流すことで、オンオフします。図6に実際の装置を示します。

図5 マイコンによるDCモータ駆動回路

図5 マイコンによるDCモータ駆動回路

図6 結線した装置

図6 結線した装置

プログラム

 簡単なプログラムを用意しました。まず、9番ピンからベース端子への電流を流すために、9番ピンを出力に設定しました。次に、9番ピンをHighレベル(5V)にして待ち、そのあとLowレベル(0V)にして1秒待つように関数loop()の中を記述しました。これを繰り返すことで、1秒だけモータが回転し、そのあと1秒間停止したのち再びモータが回転する、という動作を繰り返します。

動作の様子

 HighレベルとLowレベルを共に一秒にすると、Lowレベルになったときにもモータは回転を続けます。これは、慣性によりモータの回転が止まりにくいためです。Highレベルを0.25秒、Lowレベルを1秒続けるようにすると、回転と停止が約一秒になります。

 また、この慣性で回転が完全には止まらないことを利用し、Hjghの時間とLowの時間を調整することで、モータの回転数を変えることができます。このとき、9番ピンの出力は矩形波信号となります。この矩形波信号の周期を一定(0.1秒くらい)にし、HighレベルとLowレベルの比を変化させることで、モータの回転数を変更することができます。この方式をPWM方式といいます。

トランジスタを使う理由

 Arduinoマイコンボードのピンは、出力や入力を行うことができます。この場合の出力は、Highレベル(5V)またはLowレベル(0V)の電圧を出すことです。また入力は、ピンに印加された電圧が5VならHighレベルとして、0VならLowレベル、として認識します。

 さて、ピンからHighレベルを出力するということは、5Vの電圧信号を出すということになります。ピンを負荷(LEDやDCモータなど)につなぐと、負荷の抵抗値に応じた電流がながれることになります。ただ、この時の電流値はそんなに大きくありません。せいぜいLEDを点灯させるくらいの大きさです。

 今回使用したDCモータは消費電力が約500mAでした。そのためDCモータを直接ピンに接続しても、必要な電流を流すことができません。そこで、DCモータを回転させる電源としてバッテリを使い、トランジスタをスイッチとして使いました。マイコンボード側でトランジスタのベース端子に電流を流すことで乾電池の電流をDCモータに流し、DCモータを回転させることができます。

※このページに含まれる情報は、掲載時点のものになります。

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