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DCモーター低速回転(センサレス)

久しぶりの電子工作ネタです。

模型やおもちゃ等に使うDCモーターをできるだけ簡単な回路で、低速で始動するのが目的です。

(現状では上手くいっていません)
改良版はこちら

モーターは以下のような等価回路で表されます。
モーター等価
Rmはブラシやコイルの抵抗分、Lmはコイルのインダクタンス、Vmはモーターの回転速度に応じて発生する逆起電力(速度起電力・発電機起電力)です。このVmを監視すれば、モーターの回転数が分かるわけですが、Rmに加わる電圧が邪魔でVmを直接監視することはできません。
そこで、Rmにかかる分の電圧を、モーター両端の電圧から引き算してやればいいわけです。

そこで、こんな回路を考えました。(クリックで拡大)
モーター制御
(C1,R3,Cp1,Cp2は無いほうがよさそうです。定数はてきとーです。上の図はあくまで一例です。)
Rmがほぼ一定とすれば、Rmに加わる電圧は、モーターに流れる電流に比例します。これを用いて、Vmを取り出すのが、上の回路図のR1,VR,R2,左のオペアンプです。
あとは、得られたVmと速度指令電圧を比較してフィードバック制御をかけるだけです。

で、この回路で試してみたのですが、うまくいったりいかなかったり…
うまくいった時は、通常の始動電圧が0.5Vを超えるようなモーターとギアの組み合わせでも、125rpm(印加電圧で約0.2V相当)で始動できました。しかし、電源の出力インピーダンスや電圧が変わると、低速での始動ができなくなったり、数~数十Hzでチョッパ制御しはじめたりと、なかなか不安定です。インピーダンスが低ければいいわけでもなく、どうやら、微妙に発振している状態のほうがうまく制御できるようです。つまり、偶然にも、高い電圧をチョンチョンとモーターに加えることで始動させるような動作をしているようです。したがって、むやみにコンデンサを突っ込んで安定させようとすると低速始動できなくなります。

やはりRmの変化も激しいようで、モーターの停止位置によっては始動の挙動が変わります。

軽い発振状態のほうが低速始動できることから、チョッパ制御によって、高い電圧を少ないデューティーでモーターに加える手法を取り入れて改良をこころみようと思います。しかし、そうするとモーターのインダクタンスLmによるスパイクが問題になってきます。とりあえず、回路図の右のオペアンプに軽い正帰還を施してチョッパ制御ぎみにしてみていますが、この場合はCp2に470uFを入れたほうが安定します。Lmの影響を打ち消すために必要なのかもしれませんが、オシロとか持ってないので細かいことは分かりません。

改良版はこちら

ちなみに…

モーターをできるだけ遅い速度で回転させる場合、マイコンとタコメータを組み合わせて、モーターの回転数を読み取りながら制御する方法があります。これが最も低い速度で安定して回転させられます。マイコンを使う分、プログラミング等が面倒ですが。
また、モーターの電流が0ならば、モーターの電圧=Vmですから、モーターの電流を断続して、Vmを取り出す制御方法もあります。実際には、交流を半波整流した電源を用いて、サイリスタで制御する方法がミシン等で使われているようです。この方法も簡単なのですが、モーターのインダクタンスによる起電力の影響を受けないためには低周波でモーター電流を断続する必要があり、素早い制御は困難です。



この回路は、Nゲージを買えない貧乏学生によるプラレールもどき改造計画(仮)に応用予定です。
遠隔制御(DCCもどき)、架線集電、デッドセクション走行(本当に架線は無電圧)などを予定。
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