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AVR ATtiny2313 で DCモータのPWM制御 (2)
③プログラム
マイコン用プログラムは BASCOM-AVR で作成。

PWM+ADCでDCモータ出力制御 プログラム

【MEMO】
・ATtiny2313 はクロックが既定で 「RC内蔵オシレータ」 に設定されているため、回路作成後プログラム書込前に ヒューズビットを 「XTAL使用」 に書き換える必要がある
・プログラム3~4行目:システムクロックの分周比を設定。1MHz水晶を使用する場合はこの2行を削除し、ヒューズビットを 「システムクロック分周無し」 に設定する。
・プログラム41~42行目: VR2 設置による、C4ちょびちょび充電回数の補正。
・プログラム43~49行目: AD変換部。
・プログラム51~53行目: AD変換値の測定範囲に対する%換算。
・プログラム54~62行目: PWM出力制御部。当方の環境に合わせて、
  測定% < 0 (0.4V) → デューティー比 0/255 で PWM出力
  測定% = 0~100 (0.4~2.0V)
           → デューティー比 (測定%+60)/255 で PWM出力
  測定% > 100 (2.0V) → デューティー比 160/255 で PWM出力
といった設定にしているが、モータの仕様や実状況合わせ変更できる。ちなみにプラント業界では現設定のように測定値の上昇に応じて出力を上昇させる制御を 「冷却制御(DA制御)」、下降させる制御を 「加熱制御(RA制御)」と呼ぶ。

④測定と考察

上記プログラムで当方手持ちのDCモーターを回すと測定電圧入力に対し、モーター端子間は 1.6~3.6Vで変化した(無負荷時/テスター表示)。現状の設定では最大出力時のデューティー比は約63%なのでもっと出力を出すことは可能であるが、このモーターがあまり出力を上げると耐えられないようなのでこの程度に抑えた経緯がある。実験用に安価で入手した製品仕様もよくわからないモータだが、マブチモータ などデータシートがきちっとあるものを使えば最適な設計が可能になるだろう。

ADC機能との連係については当初モータノイズの影響による暴走も懸念していたが、各所に設けたコンデンサや外付け水晶発振子が功を奏したか、実行動作自体にまったく問題は起こっていない。ただ、ノイズ即ち電圧微変動はC4コンデンサ(測定電圧比較用)のチャージに少なかれ影響を与えている。

PWMでDCモータ出力制御 測定1

こちらはPWM出力はしていてもSW1をOFFにしてモーターを駆動させない状況での測定写真。写真中の「制御入力電圧」は本文中の「測定電圧」と同義。左上のLCDモジュールには C=C4コンデンサちょびちょび充電回数、P=PWM出力値(デューティー比×255/100)、V=ADCで換算した測定電圧値と測定範囲における% を表示している。この状況で測定電圧のテスタ測定値とADC換算測定値に誤差はない。手前味噌だが、ちょびちょび充電方式のADC機能はさまざまな改善を経て、通常ではかなりの精度で表示されるようになっている。

PWMでDCモータ出力制御 測定2

SW1をONにしてモーターを駆動させると測定電圧のテスタ測定値とADC換算測定値に誤差が生じる。この場合では+6mvだが、出力を上げたりモータ負荷を掛けたりすると誤差は大きくなる。とはいえ現実は測定範囲における誤差割合は十分小さく、デューティー比を大きく変化させるような状態に至らないため、モータ駆動への影響はほとんど無いと言っていい。また制御部と駆動部を電源分離させればノイズ影響については大きく改善するだろうから、電源共通の現回路においては簡易性を優先し精度については多少妥協して割り切って使うという考え方もあるかと思う。

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2009-01-21 21:20 マイコン応用
AVR ATtiny2313 で DCモータのPWM制御 (1)
PWM はパルス幅のON/OFF比率(デューティー比)を変えることで出力制御する方式で、従来の電圧連続可変制御をデジタル的に代替するものである。近年スイッチング電源をはじめ、調光制御やモーターの出力制御などさまざまな機器へ応用されているが、手持ちの安価なAVRマイコン ATtiny2313 でもPWM出力制御ができるため、先に確立した ちょびちょび充電方式のADC機能 と組み合わせ、測定値に応じて小型DCモータ出力を制御する回路を試作してみた。

①パルス波の設定
ATtiny2313 では8ビットの Timer0 と16ビットの Timer1 を利用したPWMが可能で、さらにそれぞれ基準カウントの分周や動作モードなどを設定できる。今回は システムクロック1MHz、Timer0、カウント分周比=1、位相基準PWMモード という設定で試みる。この場合、出力するデューティー比 0~100% は 0~255 の整数で指定。
PWM波形
上はデューティー比 50% (128/255) でのPWM出力波形。1周期はほぼ 500μsecで、周波数に換算すると 2kHz。ちなみに高速PWMモードで出力させると倍の4kHzにできるが、デューティー比 0 または100%でも微少時間のパルスが出るので使用には注意が必要。

②回路
DCモータPWM制御 回路図
C1:0.1μF(セラ)/給電安定用
C2:20pF(セラ)/水晶発振子安定用
C3:20pF(セラ)/水晶発振子安定用
C4:0.1μF(ポリエステルフィルム・容量許容差5%)/測定電圧比較用
C5:10μF(電解)/測定電圧安定用
C6:470μF(電解)/モータ駆動ノイズ緩衝用
C7:0.22μF(セラ)/モータ駆動ノイズ緩衝用
D1:モータ逆起電力緩衝用
D2:リレーコイル逆起電力緩衝用
LED1:緑φ3/モータ制御出力(PWM)確認用
LED2:赤φ3/降圧兼測定電圧入力接点確認用
MOTOR:DCモータ
R1:10kΩ/マイコン安定用
R2:100kΩ/アナログコンパレータ安定用
R3:100Ω/TRベース電流制限用
R4:10kΩ/モータ駆動安定用
RELAY:DC3V駆動1回路1接点切替/測定電圧入力用
SW0:回路主電源ON-OFF用
SW1:モータ制御出力(PWM)ON-OFF用
TR:モータ駆動用
VR1:10kΩ(半固定)/LCD表示照度調整用
VR2:2KΩ(半固定)/ADC校正用
XTAL:8MHz/システムクロック生成用
【MEMO】
・XTAL は手持ちの8MHzを使ったが、1MHzを分周なしで使っても最終的にシステムクロックが1MHzになれば同じ。システムクロックを1MHzにするのは、これまで内部オシレータ 8MHz/8分周 で調整してきたADCの換算設定をそのまま流用したいため。
・MOTOR は5V以下で駆動できるDCモータを想定しているが、電源を分離し、R3やTRを選定すれば他の電圧でも利用できる。5Vでも電源分離すればモータノイズが制御部に与える影響を軽減できる。
・TR はMOTOR負荷に合わせた選定が必要。パワートランジスタ あるいは MOSFET が望ましいところだが、当方の環境では手持ちの 2SC13842SD1164 で特に問題なく駆動している。
・TR のベース-GND間にそれなりの容量のコンデンサーを入れると入力電圧が平滑化しモーターの駆動安定とノイズ軽減の効果があったが、平滑せずパルス状のまま入力した方が常時飽和領域で動作するためTRの効率が高く発熱が少なくなるということがあるため今回は設けるのをやめた。
・RELAY はマイコン給電がOFFの際に測定電圧が及ぼす影響を遮断するために設置。手持ちの3VミニリレーにLED2を挟んで5Vで駆動。なので5Vリレーを使えばLED2は不要。
・C6 はできるだけ容量の大きいものを使用した方が効果がある。
・R3 は実験用途の場合、半固定抵抗にしたほうが便利。
・VR1 はダイオードで代用可。
・VR2 は主電源電圧の微少差でC4チャージに生じる誤差を補正するもの。

③プログラム
マイコン用プログラムは BASCOM-AVR で作成。 (その2 へ続く ...)

2009-01-20 00:32 マイコン応用
DC-DCコンバータを利用した出力電圧可変電源
出力電圧可変のDC電源は様々な実験を行う上で欠かせないものだが、過去の記事で紹介したような 「シリーズレギュレータ方式」 は出力電圧を下げるほど熱損失が大きくなるという非常に皮肉な特徴があり、省エネや合理性といった観点からは決して積極的には使えない。

その点では、変換効率が高く熱損失が少ない 「スイッチング方式」 で可変電源が構成できれば理想的だが、果たしてコスト的にはどうか。幸い出力電圧固定のスイッチングACアダプタは普及に伴い値もこなれてきたので、これをうまく利用できないものか。

そんなことを考えていたら、最近別目的で購入した 「トランジスタ技術 2008年10月号」 の付録でスイッチング方式の DC-DCコンバータ基板 がついていたことを思い出した。この基板そのままでは出力電圧固定(5V)だが、コンデンサと可変抵抗の追加でこれを可変にすることができる。そこでACアダプタと組み合わせて出力電圧可変電源を製作してみた。

出力可変型DC-DCコンバータ 写真1

寸法は最大部測定で W110×B65×H70 とかなりコンパクトに収まった。そもそも基板が小さいのだが、高効率でほとんど熱を発生しないためポリプロピレン製のミニタッパーをケースに採用できることが大きい。折角のスケルトンなので内部に青色LEDをつけた。

出力可変型DC-DCコンバータ 写真2

入力側にはDC16V・MAX1A出力のACアダプタをプラグ&ジャックで接続。黒頭のボリュームつまみを回すことで出力電圧は1~16V弱まで連続可変。DC-DCコンバータ基板の仕様で最終出力はMAX700mA(5V時)に制限されるが実験用として十分活用できる。

DC-DCコンバータ出力波形
12V・300mA出力時のオシロ波形。このリプルをどう捉えるかは用途にも依るだろう。今後もいろいろと条件を変えて計測してみたい。

2009-01-18 23:21 電源
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