大容量かつ信頼性・汎用性の高いモータドライバの開発

The Development of a New Motor Amplifier with Large Current Capacity and High Reliability

佐藤晶則 (電通大) 松林勝志 (東京高専)

Masanori Sato, The University of Electro-CommunicationsKatsushi Matsubayashi, Tokyo National College of Technology

This paper describes the development of a new motor amplifier that exerts the potential of FETs to the maximumextent. It has a large current capacity (depending on the chosen FET) and supplies a wide range of motor power.Because the heat generation of the FETs is suppressed to the utmost limit, it has high reliability.

The alignment of deadtime is quite important in the drive of the FETs. If it is not adjusted, ID (Drain Current) willbe quite large and the FET may break down in a short period of time. To control the gate of the high-side FETs, acharge-pump operation is applied.

KeyWords : Robot Contest，Motor Driver，Power MOSFET，Deadtime

1．はじめに

モータの駆動には，マイコン等からの信号を受けてモータへ直接電流を流すモータドライバが必要である．使用するモータの出力が比較的小さい場合はモータ駆動専用 ICを利用することが多い．しかし，専用 ICは最大でも数 A程度の出力しかなく，ロボットコンテストやラジコン等の競技会で利用されるような高出力モータに利用することは困難である．一方ラジコン用に市販されているモータドライバは比較的

高出力であるが，制御方式がラジコン用に特化しており，マイコンから制御するためにはやや複雑な信号を出力する必要がある．また，正転と逆転が同性能でないことや回転方向切替時に安全のためのタイムラグが発生する等の問題がある．マイコン用の高出力モータドライバに関しては，ラジコン用モータドライバと比較して高価である他，出力が大きいものは少なく入手性もよいとは言えない．以上の理由より，ロボットコンテスト等で高出力モータを

駆動する際には，FET等をスイッチングに利用したモータドライバを自作するのが一般的である．しかし，FETはその特性を理解して回路設計をしないと発熱などにより破損する危険がある．本研究では FETの特性を把握し，その性能を最大限に引き出した大容量かつ信頼性・汎用性が高いモータドライバの開発する．

2．モータドライバの仕様と設計

2·1 モータドライバの動作原理

本研究において開発するモータドライバは，図 1に示すパワーMOSFET（以下 FET）を用いた Hブリッジ回路（図2）によって動作する．FETはソース（S）電位に対してある程度高い電圧（5～20V）をゲート（G）に印可することにより，ドレイン（D）－ソース（S）間が ONになる半導体である．この Hブリッジ回路の上半分を “ハイサイド”，下半分を “ローサイド”という．（図 2）において Q1と Q4だけをONにすると，モータに電流が流れて回転し，Q2とQ3だけをONにすると逆方向に電流が流れて逆回転する．Q2とQ4

Gate（G） Drain（D） Source（S）

Fig. 1 Power MOSFET “2SK2886”

Q1

Q2

Q3

Q4

Fig. 2 H-bridge circuit using the FETs

だけ，あるいは Q1と Q3だけを ONにするとモータの両端子がショートし，ブレーキがかかる．また，全ての FETをOFFにするとモータは停止または惰性回転となる．

2·2 FETの選定と定格電流の計算[5]

FETに電流を流すと，D-S間の ON抵抗によって FETが発熱する．このとき，使用する FETのチャネル温度の絶対最大定格を超えた熱が発生すると，FETが破損する．したがって，モータの駆動に FETを利用する場合は FETに流せる電流を考慮して FETを選定する必要がある．そこで，ドレイン電流の最大値が 45A[1]と比較的大容量な 2SK2886を4並列にして利用することにした．しかし，FETのデータシートに掲載されているドレイン電流の最大値は，強制空冷される（FETの放熱板が無限に

広い）ことを前提とした値である．モータドライバの利用環境を考えると，強制空冷を行えるような状況は少なく，自然空冷（特に冷却を行わない）状態で利用することが多いと思われる．そこで，チャネル温度の絶対最大定格を考慮した連続最大電流を計算する．まず室温を 25Cと仮定すると，チャネル温度の絶対最大

定格 150C[1]より，125Cまでの温度上昇に耐えられる．また，チャネル・外気間熱抵抗 62.5C/W[1]より，FETが耐えられる発熱量は

125C÷62.5C/W = 2W (1)

となる．よって，自然空冷時に連続して流せる電流は√2W

14mΩ×4個≃ 48A (2)

である．したがって，本研究で開発するモータドライバの定格電流は 48Aである．また，強制冷却を行う場合は 180Aまで電流を流すことが可能である．

2·3 Deadtimeによる貫通電流の防止

モータの回転方向を切り替える時，ハイサイドとローサイドの FETを同時にスイッチングする．このとき，FETが一瞬だけ同時にONになってしまう時間（Deadtime）に注意する必要がある．これは FETの特性上，OFFから ONになる時間の方が ONから OFFになる時間よりも短いために起こる現象である．この瞬間に電源と GNDが短絡するため，貫通電流により FETが発熱・破損することがある．この一瞬の短絡は，FETが ONになるタイミングを故意に遅らせることにより防止することができる．

FETのスイッチングを故意に遅らせるには，信号遅延回路や信号制御用マイコンでソフトウェア的な解決を図る方法が考えられる．しかし，回路の部品点数の増加やマイコン内で処理にかかる時間を考えるとあまり現実的ではない．そこで，IR（International Rectifier）社のゲートドライバ ICIRS2109を用いた．この ICは FETを用いたハーフブリッジ回路（Hブリッジ回路の左または右半分の回路）の駆動を想定しており，2個使用することによってHブリッジ回路に利用できる．さらに，あらかじめ決められた Deadtimeで FETをスイッチングする機能があり[3]，Deadtimeによる電源の短絡を防止することができる．図 3に 2SK2886と IRS2109を利用した場合のタイミングチャートを示す．Deadtimeは負の値（-163ns）となっており，貫通電流の発生するタイミングが完全に除去されている．

2·4 ハイサイド FETの駆動

前述の通り，FETの駆動にはソース電位に対して高い電圧をゲートにかける必要がある．ところが，ハイサイド FETのソース電位はモータの逆起電圧により，電源電圧付近まで達するためON状態を維持できない．したがって，ハイサイド FETのゲートには電源電圧よりも高い電圧をかける必要がある．なお，2SK2886はゲート電圧が 10V以上になることが望ましいので，本モータドライバではゲート電圧は 12Vとした．

Fig. 3 Timing chart of IRS2109 and 2SK2886

そこで，図 4の破線内部に示すCockcroft-Walton回路を応用したチャージポンプ方式[2]を採用した．この回路は INの電圧を基準とし，12Vを加算した電圧を OUTから得ることができる．まず，C1は INの電圧でD1を介して充電される．タイマー IC 555の 3番ピンからは，周辺回路定数で決まる周波数のクロックが出力されている．このクロックは Highレベルが 12Vであり，Highになった瞬間にC1の電圧を 12Vだけ押し上げる．押し上げられた電荷の電圧は IN+12Vであり，D2を通ってC2に充電される．D1はこのときに IN側へ電流が流れるのを防いでいる．ここで C2に充電されている電圧は INを基準とした 12Vである．つまり，図 4の回路中で，INをハイサイド FETのソースに接続して OUTをゲートに接続することにより，ゲートには常にソースを基準とした 12Vを印可することができる．

2·5 広範囲な電源電圧の確保

市販されているモータドライバの多くは，電源電圧範囲が狭い範囲に固定されており汎用性が高いとは言えない．そこで広範囲な電源電圧を確保するべく，DC-DCコンバータを利用してモータドライバ回路の駆動のために必要な電源を生成した．前述の通り，本研究で開発するモータドライバには 12Vの電源が必要である．また，ゲートドライバ ICや後述する PICマイコンの駆動のために，5Vの電源も必要である．そこで，DC-DCコンバータを利用してモータ駆動用電圧から 12Vを生成し，生成した 12Vから三端子レギュレータを利用して 5Vを生成した．本研究では 12Vの生成にコーセル製DC-DCコンバータ SUS1R50512，SUS1R51212，SUS1R52412，SUS1R54812を利用した．これらはそれぞれ

IN OUT

Fig. 4 Charge pump circuit

Neutral（Duty 0%）CCW Duty

100%CW Duty

100%

1500µs

500µs 500µs

Fig. 5 PWM of radio control mode

4.5-9V，9-18V，18-36V，36-76Vを入力すると 12Vを生成する[4]．したがって，使用する電源電圧に応じて DC-DCコンバータを交換して使用することとした．これによって，4.5～50V（50Vは FETの絶対最大定格[1]）の広範囲な電源電圧でモータを駆動することが可能となった．

2·6 複数の制御方式への対応

モータドライバの制御方式について調査したところ，次の3種の方式が主流であることが判明した．そこで，使用する制御方式に応じて PICマイコン PIC12F683を交換して利用することにした．PICマイコンは次に示すラジコンモード用とマイコンモード（2bit or 3bit）用の 2種類を用意し，2bitモードと 3bitモードはジャンパスイッチによって切り替えることとした．

2·6·1 ラジコンモード

ラジコンモードでは 1本の信号線を用いて回転方向と出力デューティの制御を行う．この信号は PWM信号であり，パルスの幅でモータへの出力を決める．一般的なラジコンモードのパルス幅は図 5に示すように 1500±500µsであり，周期は 20msである．1500µsのニュートラルを境に正転と逆転を切り替え，1000µsあるいは 2000µsに向かって出力デューティは 100%に近づく．

2·6·2 2bit制御モード

2bit制御モードはモータドライバ ICに多く見られる制御方式である．この方式は表 1に示すように，2本の信号線で4つの機能（停止，正転，逆転，ブレーキ）を割り当てている．出力デューティの制御は，2本の内のどちらかを PWM信号とすることで可能である．

Table 1 Control table of 2bit modeIN1 IN2 Function

Low Low Free

Low High CW

High Low CCW

High High Brake

Table 2 Control table of 3bit modeInput High Low

CW/CCW CW CCW

PWM Speed Control

BRAKE NOP BRAKE

Table 3 Users specifications of batteries and motors

Team Battery Motor

AISIN SEIKI Ni-MH 540 M Tune14.8V (Shinnagoya) ×2

Taisei Gakuin Li-Po RE35 (MaxonUniversity High School 33.3V Motor)×1

The Univ. of Electro- Lead-Acid RH-11D (HarmonicCommunications 24V Drive Systems) ×1

2·6·3 3bit制御モード

3bit制御モードはマイコン用モータドライバに多く見られる制御方式である．この方式は表 2に示すように，各ビットを回転方向，出力デューティ（PWM信号），ブレーキの指令に割り当てている．この方式では PWM制御線が独立するため，制御用ソフトウェアの開発が容易である．

3．ユーザレビュー

設計通りの性能を発揮できるかどうか確認するため，フィードバックをもらう代わりに，組み立て済みのモータドライバを無償提供し，レビューしていただいた．ロボット相撲大会（ラジコン型）に参加するアイシン精機社内有志チーム，太成学院大学高等学校機械実習部にご協力いただいたほか，電気通信大学知能システム学講座でもつくばチャレンジ（屋外の 1.1kmのコースを自律ロボットが自動走行）に使用した．各チームのバッテリやモータの仕様を表 3に示す．

3·1 540モータノイズによる誤動作

アイシン精機チームでは，モータドライバ 1つで 540モータベースのチューンドモータ 2つをパラレル駆動したいとのことであった．組み立て後 540モータを 2個入手して送付前にテストしたところ，低デューティ比で駆動させている場合に，不定期で数秒に 1回，瞬間的に高デューティ比でモータが回転する現象が発生した．ラジコン受信機からの PWM波形を確認したところ，髭状のノイズがのっていた．そのノイズがたまたま図 5の CCWデューティ100%に近くなる位置で発生すると，その立ち下がりを PICマイコンが検出し，20msだけ高デューティで駆動していることが判明した．他

Fig. 6 Motor driver

のモータでは髭ノイズは発生しないため，540モータ特有の現象（モータメーカであるタミヤに確認したところ，設計が古くノイズ対策してないとのことである）である．対策として受信機からの PWM出力をシュミットトリガに通したところ，ヒステリシスで髭ノイズを消すことができ，良好な動作をするようになった．

3·2 ブレーキ機能の追加

一般にラジコンでは，デューティ0%ではモータは惰性で回転し，ブレーキが必要な場合は送信機のスティックを逆方向に少し倒すなどする．本モータドライバの設計においてもラジコンの受信機からの信号を受ける場合はスティックを逆に倒すことを想定し，ブレーキ機能を実装していなかった．しかし送信機のスティックを離した瞬間ブレーキがかからないと，土俵を飛び出てしまうとの意見をいただき，ブレーキ機能を追加するとともに，ジャンパでブレーキの有効／無効を切り替えられるようにした．なお太成学院大学高校の場合，ロボットの走行速度は 4m/sで，ロボット相撲大会の土俵直径は 1.54mである．

3·3 パターンの焼損

アイシン精機チームでテストしたところ，基板裏のパターンが焼損したとのことで返送していただいた．確認したところ，モータ端子と FETのソース (S)間のパターンが焼けており，回路の不具合でなく大電流が流れたことによる発熱が原因であった．そこでハンダの厚盛りでは抵抗が大きい可能性があるので，太い導線をパターン上に置いた上で，厚盛りをし直した．

3·4 コンテスト結果

焼損の対策が間に合わず，アイシン精機チームでは本番で使っていただくことができなかった．その後は問題なく使えているようである．太成学院大学高校では近畿大会で準優勝し，全国大会出場を果たした．電気通信大学が参加したつくばチャレンジでは，ロボットのステアリング駆動モータに使用し，見事完走を果たした．

Table 4 Specifications of completed motor driver

Power Supply 4.5～50V

Maximum Electric Power (Calculated) 2400W

Natural Forward 48AMaximum Cooling Backward 48AContinuous Current Forced Forward 180A

Cooling Backward 180A

Maximum Forward 540AInstantaneous Current Backward 540A

On Resistance Forward 7mΩBackward 7mΩ

Size 60×40×20mm

Total Cost 4000yen

4．まとめ

本研究では市販のモータドライバの持つ問題点を解消し，大容量かつ信頼性・汎用性が高いモータドライバを開発した．最終的な仕様は表 4の通りである．またユーザレビューも行い，様々な問題点も解決した．今後は構成部品を表面実装のものに換装し，更なる小型化を目指す．

5．謝辞

本モータドライバ開発にあたり，貴重なフィードバックをいただいた，アイシン精機社内有志チームの皆様，太成学院大学高等学校機械実習部の皆様に感謝いたします．

文 献[1] TOSHIBA，“東芝電界効果トランジスタシリコンNチャネルMOS型 (π-MOS V) 2SK2886データシート”，2009.

[2] Laszlo Kiraly, “Simple High Side Drive Provides FastSw. and Continuous On-Time,” International RectifierDESIGH TIPS, DT 92-4A.

[3] International Rectifier, “IRS2109/IRS21094(S)Pbf Half-Bridge Driver DataSheet,” 2006.

[4] COSEL，“オンボードタイプ SUS1R5カタログデータ”.

[5] 松林 勝志，“ロボコン用 180A 仕様モータアンプの紹介”，Matsu’s Home Page (http://tokyo-ct.net/usr/matsu/createthings/motoramp/motorampintro.html), 参照2011-03-04.