Arduino 小型DCモータ／TA7291P

小型のDCモータ「FA-130」を制御する方法についてです。このモータは、車のプラモデルなどに使われるDCモータです。最大で５００mAの電流が流れます。大抵DCモータを扱う場合、Arduino基盤にとっては過電流となるので別電源（乾電池など）が必要となります。
DCモータには二本の線がついており、一方をプラスに、もう一方をマイナスにつなげば回転し、プラスとマイナスを入れ替えれば逆回転します。スピードは、電圧が低いと遅く、高いと速く回転しますが、今回の場合はPWM（パルス）で調節します。パルスは、一定の電圧でONとOFFを高速に繰り返して出力する方法で、ONの継続時間が長いほど速く回転し、OFFの時間が長いほど遅く回転します。このONとOFFの時間の比率を「デューティ比」と言います（実際には、回転速度というよりトルクに反映されます）。



上図と下図を比較すると、「ONの継続時間」については、下図より上図のほうが長いので、上図の方がモータは速く回転します（トルクが高くなります）。



PWMでは、このONとOFFの時間の比率を変えることでスピード調節を行っています。以前行ったLEDの照度調整も同様の仕組みです。LEDの場合、実際は点滅しているのに過ぎないのですが、繰り返されるON/OFFがあまりにも速いので、明るさが変わったように見えています。

また下図のように、モータを正転／逆転させる場合は、電源へつないでいる二本の線の途中にスイッチを設けて入れ替え可能にします。切り離せば静止状態になります。このような切替を可能にする回路を「Hブリッジ回路」といいます。



そこで、いままで説明したことを容易にしてくれるのが、今回用いるモータドライバIC「TA7291P」です。「TA7291P」には、１０本の端子があります。

東芝 TA7291P 価格：189円（税込、送料別）

　１：GND（Arduino／GND端子）と共有
　２：モータの端子へ接続
　３：非接続
　４：PWM端子（Arduino／アナログ出力端子）へ接続
　５：信号用端子（Arduino／デジタル出力端子）へ接続
　６：信号用端子（Arduino／デジタル出力端子）へ接続
　７：5V電源（Arduino／５V端子）と共有
　８：外部電源のプラス端子へ接続（乾電池など）
　９：非接続
１０：モータの端子へ接続

今回は、可変抵抗器で正転／逆転／静止／スピード調節しようと思います。以下のようにそれぞれを接続することとします。複雑な配線に見えるかもしれませんが、間違わずにそれぞれを接続して下さい。


TA7291Pの５番ピンと６番ピンは、静止／正転／逆転を決めるための信号用の端子であり（それぞれArduinoのデジタル出力の１番ピン、２番ピンに接続）、
５番ピンが「LOW」、６番ピンが「LOW」の場合は静止
５番ピンが「HIGH」、６番ピンが「LOW」の場合は正転
５番ピンが「LOW」、６番ピンが「HIGH」の場合は逆転
となります。ArduinoのdigitalWrite()から出力されるLOW/HIGHの組合わせによって決められます。つまり、Arduinoのデジタル出力１番ピンと２番ピンのHIGH/LOWの出力の組合わせをプログラムによって操作することになります。
スピード調節については、TA7291Pの４番ピンがArduinoのアナログ出力の３番ピン（PWMピン）と接続され、ArduinoからPWM出力によって制御されます。

今回は、可変抵抗器を右に回すと正転、左に回すと逆転、中間だと静止するプログラムにします。可変抵抗器からanalogRead()によって読み取られる値は０〜１０２３なので、それを２で割って０〜５１１にスケールダウンし、
　　０〜２５４：逆転（０で高速、２５４で低速）
２５５〜２５６：静止
２５７〜５１１：正転（２５７で低速、５１１で高速）
となるようにします。逆転時では数値が０に近いほど速く、２５４に近いほど遅くなり、正転時では数値が大きいほど速くなるので、調整した値をanalogWrite()の出力値に入れます。よって、以下のようなプログラムになります。

Arduinoのプログラム：

void setup(){
  pinMode(1,OUTPUT); //信号用ピン
  pinMode(2,OUTPUT); //信号用ピン
}

void loop(){
  //アナログ入力:0番ピンの値を２で割る
  int val=analogRead(0)/2; //0~511の値にする
  
  //静止／正転／逆転の状態に分けてプログラムする
  if(val>=255 && val<=256){ //静止:255~256
    //LOW,LOWでデジタル出力
    digitalWrite(1,LOW);
    digitalWrite(2,LOW);
  }else if(val>256){        //正転:257~511
    //HIGH,LOWでデジタル出力
    digitalWrite(1,HIGH);
    digitalWrite(2,LOW);
    //valが大きいほど出力値も大きくなる
    analogWrite(3,val-256); //出力値:1~255
  }else{                    //逆転:0~254
    //LOW,HIGHでデジタル出力
    digitalWrite(1,LOW);
    digitalWrite(2,HIGH);
    //valが小さいほど出力値は大きくなる
    analogWrite(3,255-val); //出力値:1~255
  }    
}

外部電源には、1.5Vの乾電池が4本入る電池ボックスなどを使うといいでしょう。
TA7291Pのデータシートには、外部電源のプラス端子をつなぐための８番ピンの電圧は、PWMに使うための４番ピンの電圧以上なければいけないと書いてあります。これに従えば、今回の場合の外部電源は、５V以上必要となります。

関連：「Arduino　モータドライバ＋モータ」（その他のモータドライバ等について）

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