最初は、モーターを駆動するのは簡単な作業のように思えるかもしれません。モーターを適切な電圧レールに接続するだけで、モーターが回転し始めます。しかし、これは、特に回路に他のコンポーネントが含まれている場合、モーターを駆動するための完璧な方法ではありません。ここでは、DCモーターを駆動するために最も一般的に使用されている効率的な方法の1つであるHブリッジ回路について説明します。
モーター運転
低電力アプリケーションの愛好家のサークルで遭遇する可能性のある最も一般的なタイプのモーターは、以下に示す3VDCモーターです。この種のモーターは、2つの1.5Vセルからの低電圧動作用に最適化されています。
また、2つのセルに接続するだけで簡単に実行できます。モーターは瞬時に起動し、バッテリーが接続されている限り動作します。この種のセットアップは、小型風車やファンなどの「静的」アプリケーションには適していますが、ロボットなどの「動的」アプリケーションでは、可変速度とトルク制御の形で、より高い精度が必要です。
モーターの両端の電圧を下げると速度が下がり、バッテリーがなくなるとモーターが遅くなることは明らかですが、モーターが複数のデバイスに共通のレールから電力を供給されている場合は、適切な駆動回路が必要です。
これは、LM317のような可変リニアレギュレータの形式にすることもできます。モーターの両端の電圧を変化させて、速度を増減させることができます。より多くの電流が必要な場合、この回路はいくつかのバイポーラトランジスタで慎重に構築できます。この種のセットアップの最大の欠点は効率です。他の負荷と同じように、トランジスタはすべての不要な電力を消費します。
この問題の解決策は、PWMまたはパルス幅変調と呼ばれる方法です。ここで、モーターは調整可能なデューティサイクル（信号の周期に対するオン時間の比率）を備えた方形波によって駆動されます。供給される総電力は、デューティサイクルに比例します。言い換えると、モーターはごく一部の時間だけ電力が供給されるため、時間の経過とともにモーターへの平均電力は低くなります。デューティサイクルが0％の場合、モーターはオフになります（電流は流れません）。50％のデューティサイクルでは、モーターは半分の電力（電流引き込みの半分）で動作し、100％は最大電流引き込みでのフルパワーを表します。
これは、モーターのハイサイドを接続し、PWM信号によって再び駆動されるNチャネルMOSFETで駆動することによって実装されます。
これにはいくつかの興味深い影響があります。モーターは平均電圧しか認識しないため、3Vモーターは低デューティサイクルを使用して12V電源を使用して駆動できます。注意深い設計により、これにより、別個のモーター電源が不要になります。
モーターの方向を逆にする必要がある場合はどうなりますか？これは通常、モーター端子を切り替えることによって行われますが、これは電気的に行うことができます。
1つのオプションは、別のFETと負電源を使用して方向を切り替えることです。これには、モーターの一方の端子を恒久的に接地し、もう一方の端子を正または負の電源に接続する必要があります。ここで、MOSFETはSPDTスイッチのように機能します。
ただし、より洗練されたソリューションが存在します。
Hブリッジモータードライバー回路
この回路は、MOSFETが2つの垂直ストロークを形成し、モーターがアルファベット「H」の水平ストロークを形成するため、Hブリッジと呼ばれます。これは、すべてのモーター駆動の問題に対するシンプルでエレガントなソリューションです。方向を容易に変更することができ、速度を制御することができます。
Hブリッジ構成では、次の図に示すように、対角線上にあるMOSFETのペアのみがアクティブになって方向を制御します。
（対角線上で反対の）MOSFETの一方のペアをアクティブにすると、モーターは一方向に電流が流れるのを確認し、もう一方のペアをアクティブにすると、モーターを流れる電流の方向が逆になります。
MOSFETは、フルパワーの場合はオンのままにするか、パワーレギュレーションの場合はPWMで接続するか、オフにしてモーターを停止させることができます。下部と上部の両方のMOSFETをアクティブにすると（ただし、一緒にアクティブにすることはありません）、モーターにブレーキがかかります。
Hブリッジを実装する別の方法は、前のチュートリアルで説明した555タイマーを使用することです。
必要なコンポーネント
Hブリッジ用- DCモーター
- 2x IRF3205NチャネルMOSFETまたは同等品
- 2x IRF5210PチャネルMOSFETまたは同等品
- 2x 10K抵抗（プルダウン）
- 2x 100uF電解コンデンサ（デカップリング）
- 2x 100nFセラミックコンデンサ（デカップリング）
制御回路用
- 1x 555タイマー（任意のバリアント、できればCMOS）
- 1xTC4427または適切なゲートドライバー
- 2x1N4148またはその他の信号/超高速ダイオード
- 1x 10Kポテンショメータ（タイミング）
- 1x 1K抵抗（タイミング）
- 4.7nFコンデンサ（タイミング）
- 4.7uFコンデンサ（デカップリング）
- 100nFセラミックコンデンサ（デカップリング）
- 10uF電解コンデンサ（デカップリング）
- SPDTスイッチ
単純なHブリッジ回路の回路図
理論がわからなくなったので、手を汚してHブリッジモータードライバーを作成します。この回路は、適切な構造とヒートシンクを使用して、最大20Aおよび40Vの中型モーターを駆動するのに十分な電力を備えています。方向を制御するためのSPDTスイッチの使用など、一部の機能が簡略化されています。
また、ハイサイドMOSFETは簡単にするためにPチャネルです。適切な駆動回路（ブートストラップ付き）があれば、NチャネルMOSFETも使用できます。
MOSFETを使用したこのHブリッジの完全な回路図を以下に示します。
動作説明
1.555タイマー
タイマーは、約10％から90％のデューティサイクルを生成する単純な555回路です。周波数はR1、R2、C2で設定されます。可聴のうなりを減らすには高周波が好まれますが、これはより強力なゲートドライバーが必要であることも意味します。デューティサイクルはポテンショメータR2によって制御されます。非安定モードでの555タイマーの使用について詳しくは、こちらをご覧ください。
この回路は、Arduinoのような他のPWMソースに置き換えることができます。
2.ゲートドライバー
ゲートドライバは標準の2チャネルTC4427で、チャネルあたり1.5Aのシンク/ソースを備えています。ここでは、より多くの駆動電流のために両方のチャネルが並列化されています。繰り返しますが、周波数が高い場合は、ゲートドライバーをより強力にする必要があります。
SPDTスイッチは、方向を制御するHブリッジの脚を選択するために使用されます。
3.Hブリッジ
これは、モーターを制御する回路の動作部分です。MOSFETゲートは通常、プルダウン抵抗によってローにプルダウンされます。これにより、両方のPチャネルMOSFETがオンになりますが、電流が流れないため、これは問題ではありません。PWM信号が片方のレッグのゲートに印加されると、NチャネルとPチャネルのMOSFETが交互にオンとオフになり、電力が制御されます。
Hブリッジ回路の構築のヒント
この回路の最大の利点は、モーターだけでなく、正弦波インバーターなどの双方向電流信号を必要とするすべてのサイズのモーターを駆動するように拡張できることです。
低電力でもこの回路を使用する場合は、回路をグリッチにしたくない場合を除いて、適切なローカライズされたデカップリングが必須です。
また、PCBのようなより恒久的なプラットフォーム上にこの回路を構築する場合は、大電流のパスから低電流部分を遠ざけるために、大きなグランドプレーンをお勧めします。
したがって、この単純なHブリッジ回路は、双方向、電力管理、効率など、多くのモーター駆動の問題に対するソリューションです。