ラジコンカーの前進/後進と左折/右折、モーターの切替

１．乾電池でＤＣモーターを回す 

小学校の理科の実験などで、乾電池を使ってモーターを動かしたりしませんでしたか？今回は、ラジコンカーを動かすための動力をモーター（ＤＣモーター）で得ようと思うので、先ずはモーターを動かすことから始めてみることにします。 

スイッチ１と４をＯＮにして、スイッチ２と３をＯＦＦにすると、モーターの赤線が乾電池の＋（プラス）につながり、青線が－（マイナス）につながるのが分かりますか？つまり、モーターは右回転します。
今度は、スイッチ１と４をＯＦＦにして、スイッチ２と３をＯＮにします。すると、モーターの赤線が＋（プラス）、青線が－（マイナス）につながります。なので、モーターは左回転します。乾電池の赤線/青線と、モーターの赤線/青線が、互いに色違いにつながる様子が分かりますか？

この回路では、スイッチ１と３、またはスイッチ２と４を同時にＯＮにすると、乾電池の＋（プラス）と－（マイナス）がショートするので、してはいけない操作です。

全てのスイッチをＯＦＦにすると、乾電池もモーターも、何にもつながっていない状態（オープン状態）になります。回転中のモーターに対して全てＯＦＦにすると、惰性で少し回転を続けて、すぐに勝手に止まります。

スイッチ１と２、またはスイッチ３と４をＯＮにすると、モーターの赤線と青線がショートします。回転中のモーターに対してこの接続を行なうと、モーターにブレーキが掛かります。モーターは電気を与えると自力で回転しますが、逆に無理やり外からの力で回転させると発電します。ママチャリ自転車のライトのダイナモが良い例です。回転中のモーターの両端子をショートさせると、その場で発電機として働き、ショートさせた回路には大きな電流が流れます。この電流によって、今度は回転を止める方向に回転力が発生し、ブレーキとして働きます。

【モータの制御】

モータをコンピュータで制御する時の基本はOn/Off制御です。
つまり、モータの起動･停止だけで制御します。
起動・停止だけで制御できるものは数多く、すべてのモータ
制御の基本になります。

【制御基本回路】

モータをOn/Off制御する時の基本回路には幾つかあります。

(1) トランジスタ駆動（エミッタ負荷）
　　下図の回路としてトランジスタをOn/Offすることで、モータ
　　をOn/Offします。しかし、この回路はトランジスタを完全に
　　飽和したOn状態にはできず、Vceが大きいので電圧ロスが
　　大きくなってしまいます。
　　動作としては、自動的に負帰還が働くため動作は安定です。
　　このため、簡易な速度制御を行うためオペアンプを追加した
　　回路が使われます。
　　この場合、トランジスタでの電力ロスがそのまま熱となり
　　ますので、トランジスタの熱対策は十分行う必要があります。

(2)トランジスタ駆動（コレクタ負荷）
　　モータをトランジスタのコレクタの負荷としたもので、トラン
　　ジスタを完全に飽和したOn状態で駆動できるため、ドライブ
　　能力が大きく電圧ロスも少なく出来ます。
　　従って、一般的にはこの回路が多用されています。

(3)逆起電力の処理
　　トランジスタがOnとなってモータが回っている間には、モータ
　　のコイルにはエネルギーが貯えられています。
　　そしてトランジスタがＯｆｆとなると、そのエネルギーを放出しよう
　　とするため、モータのコイルの両端には、プラスマイナスが逆向
　　きの起電力が発生します。
　　この電圧は非常に大きくなるため、そのままではトランジスタが
　　破壊されてしまうこともあります。
　　
　　そこで、この対策として、コイルをショートさせて残っているエネ
　　ルギーを瞬間的に電流として流してしまい、逆起電力を抑制して
　　しまうようにします。
　　この働きをするのが下図のダイオードの働きで、逆向きの
　　起電力のみショートさせ、通常の電圧に対しては高抵抗となり
　　何もしないことになります。

　　　　　　　　【Ｈブリッジ制御回路】

モータのOn/Off制御は上記の回路で問題無く出来ます。しかし
回転の向きを変えたい時には、どうしたら良いのでしょうか。
モータに加える電圧のプラスマイナスを逆にすればモータは
逆転するのですが、上記回路ではそれは難しいことです。

そこで、単一の電源でモータに加える電圧の向きを変えられる
 回路として考案されたのが、「Ｈブリッジ回路」(別項でトラブル対応として説明)です。
基本構成は下図の様になっており、Ｈ型をしていることから
こう呼ばれています。

基本動作は、Ｑ１とＱ４のトランジスタだけを同時にOnとすると、青線の様に電流が流れ、モータは正転します。
 逆にＱ２とＱ３だけをOnとすれば、赤線の様に電流が流れ、モータは逆転することになります。
さらにＱ３とＱ４だけを同時にＯｎとするとモータにブレーキをかける動作となります。

【モータドライバＩＣ】

最近は、モータドライブ用の専用ＩＣがあり、これらには上記
のＨブリッジが内蔵されているものがほとんどですので、
トランジスタ等のディスクリート部品で組むことはほとんど必要
が無いようになっています。
当然のことながら、逆起電力吸収用のダイオードも内蔵されて
いますが、それ以外に熱遮断回路や過電流保護回路も内蔵
されています。
下記はこのモータドライバの代表的なＩＣです。

　　ＴＡ７２５７Ｐ

・出力電流　1.5A（ave）　4.5A（peak)と大容量
・モードは正転、逆転、ストップ、ブレーキの４モード
・逆起電力吸収用ダイオード内蔵
・熱遮断、過電流保護回路内蔵
・動作電源電圧　　６～１８Ｖ

　ＴＡ７２９１Ｐ

・最大電源電圧　：　4.5～20Ｖ
・出力電流　　　：　1.0A（平均）　1.5A（最大）
・その他　　　　 熱遮断回路内蔵
　　　　　　　　 出力端子プロテクタ回路内蔵
　　　　　　　　 逆起電力吸収用ダイオード内蔵
　　　　　　　　 入力ヒステリシス回路内蔵
　　　　　　　　 スタンバイ回路内蔵


これらのＩＣの中身は下図の様になっていて、Ｈブリッジが内蔵
されている。

【実際の使用例】

モータ制御用ドライバＩＣの実際の使用例の回路は下図の様に
なります。ＰＩＣに接続するのは、IN1,IN2の２ラインだけで、これ
で正逆転、ストップを制御出来ます。
下図はラジコン自動車の車載側のコントローラで、２個のモータ
をラジコン受信機からのシリアル信号を解析してパルス幅に応じ
て前進後進の制御をします。

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