ブラシレスモータをArduinoで回す

ブラシレスモータを回すにはラジコン用のESCを使うのが簡単です。ArduinoとESCを接続して回すことも出来ます。モータを高速回転させるにはそれで良いのですがゆっくり回したい場合など特殊な使い方をしたい場合にはESCを作る必要があります。

まずは参考にしたサイトです。

こんなサイトを参考にしながらこの記事の最初にある回路図を書きました。IR2302を使いN ch MOS FETを駆動しています。MOS FETを２つ使いハーフブリッジを作ります。ブラシレスモータはコイルが３つスター配線になっているのでこの回路が３組必要になります。ハーフブリッジでハイ側のMOS FETをONにするにはブートストラップを使っています。最初にハイ側をONにするにはここのコンデンサが充電されている必要があります。

フォトカプラを使う方法も考えましたが、IR2302を使う方が簡単そうなのでその方法でやりました。IR2302の資料はこちら。IR2302の入力と出力ですが次の図のようになります。INとSDをArduinoにつなぎ、HOとLOはMOS FETに入ります。HOとLOが同時にONになると電流が一気に流れてMOS FETを破壊してしまいます。IR2303はHOとLOが同時にONになる事が無いので安心して使えます。

ArduinoからINにはPWM出力が可能なピンから。SDにはデジタル出力のピンでつなぎます。

ブラシレスモータは3つのコイルがスター配線になります。3つの、コイルにある順番で電流を流していくと回す事ができます。

ブラシレスモータを正確に回すにはロータの位置を検出するセンサーが必要らしいですが、とりあえず回すだけならセンサー無しで電流の順番を変えるだけで回ります。電流を流す順番についての説明は先に挙げたルネサスの「BLDCモータの制御」の説明がわかりやすいです。

部品は次の通りです。全て秋月で揃えました。【】内は秋月の品番です。

【P-10147】積層セラミックコンデンサー　０．１μＦ２５０Ｖ　５ｍｍピッチ
【P-02724】電源用電解コンデンサー１００μＦ３５Ｖ１０５℃　ルビコンＺ
【P-08155】絶縁ラジアルリード型積層セラミックコンデンサー　１０μＦ５０Ｖ５ｍｍ
【I-06208】ハーフブリッジドライバ　ＩＲ２３０２ＰＢＦ　８－ＤＩＰ
【I-08423】ＮｃｈパワーＭＯＳＦＥＴ　ＥＫＩ０４０４７　４０Ｖ８０Ａ
【I-07783】高速スイッチング・ダイオード　１ＳＳ１７８（１００本入）

その他は抵抗、ターミナルブロックなどなどです。基板はサンハヤトの感光基板で作りました。感光基板の作り方は以下ツイートのスレッドの通り。

さあ！それでは感光基板を作ってみよう！
1 インクジェットプリンタでシートに基板パターンを印刷します。 pic.twitter.com/4AXFCb44N3
— tomo makabe (@mkbtm) February 11, 2020

電源は実験用の電源装置で電圧を調整しながらテストしています。コイルの抵抗は低いので電圧をかけるとあっというまに電流が流れすぎて基板が焼けてしまいます。

回ってる様子は以下をご覧ください。

よっしゃ〜！
自作コントロールボードとArduinoでブラシレスモーターを回すのに成功した！
6段階のステップ駆動なので回転がぎこちない。次は正弦駆動のプログラムを書く！ pic.twitter.com/J4G1lhR47k
— tomo makabe (@mkbtm) February 14, 2020

Arduinoのコードは次の通りです。Arduinoと基板の接続はポートの2,3,4,5,9,8番を使っています。

const int IN_U = 3;
const int SD_U = 2;

const int IN_V = 5;
const int SD_V = 4;

const int IN_W = 9;
const int SD_W = 8;

int delayTime = 1000;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(IN_U, OUTPUT);
  pinMode(IN_V, OUTPUT);
  pinMode(IN_W, OUTPUT);

  pinMode(SD_U, OUTPUT);
  pinMode(SD_V, OUTPUT);
  pinMode(SD_W, OUTPUT);

  analogWrite(IN_U, 0);//UVWのPWM 0〜255
  analogWrite(IN_V, 0);
  analogWrite(IN_W, 0);
  digitalWrite(SD_U, HIGH);//HIGHで通電 LOWでハイインピーダンス
  digitalWrite(SD_V, HIGH);
  digitalWrite(SD_W, HIGH);
  delay(100);

}

/*mosfet ハーフブリッジ駆動
  IN:LOW -> highSide:off   lowSide:on
  SD:HIGH

  IN:HIGH -> highSide:on   lowSide:off
  SD:HIGH

  IN:LOW -> highSide:off   lowSide:off
  SD:LOW

  IN:HIGH -> highSide:off   lowSide:off
  SD:LOW
*/

void loop() {
  //1 U->W
  //2 U->V
  //3 W->V
  //4 W->U
  //5 V->U
  //6 V->W

  //1 U->W
  analogWrite(IN_U, 255);
  analogWrite(IN_V, 0);
  analogWrite(IN_W, 0);
  digitalWrite(SD_U, HIGH);
  digitalWrite(SD_V, LOW);
  digitalWrite(SD_W, HIGH);
  delay(delayTime);

  //2 U->V
  analogWrite(IN_U, 255);
  analogWrite(IN_V, 0);
  analogWrite(IN_W, 0);
  digitalWrite(SD_U, HIGH);
  digitalWrite(SD_V, HIGH);
  digitalWrite(SD_W, LOW);
  delay(delayTime);

  //3 W->V
  analogWrite(IN_U, 0);
  analogWrite(IN_V, 0);
  analogWrite(IN_W, 255);
  digitalWrite(SD_U, LOW);
  digitalWrite(SD_V, HIGH);
  digitalWrite(SD_W, HIGH);
  delay(delayTime);

  //4 W->U
  analogWrite(IN_U, 0);
  analogWrite(IN_V, 0);
  analogWrite(IN_W, 255);
  digitalWrite(SD_U, HIGH);
  digitalWrite(SD_V, LOW);
  digitalWrite(SD_W, HIGH);
  delay(delayTime);

  //5 V->U
  analogWrite(IN_U, 0);
  analogWrite(IN_V, 255);
  analogWrite(IN_W, 0);
  digitalWrite(SD_U, HIGH);
  digitalWrite(SD_V, HIGH);
  digitalWrite(SD_W, LOW);
  delay(delayTime);

  //6 V->W
  analogWrite(IN_U, 0);
  analogWrite(IN_V, 255);
  analogWrite(IN_W, 0);
  digitalWrite(SD_U, LOW);
  digitalWrite(SD_V, HIGH);
  digitalWrite(SD_W, HIGH);
  delay(delayTime);

}