クイック

DNスタッフ | 2016 年 10 月 31 日

何年も前、私の友人のスティーブ・タイタスは、いくつかのドローンローターの設計を実験したいと考えていました。彼は、8V から 12V で動作し、ラジコン航空機で使用される DC モーターにアンペアの電流を供給できる、シンプルなモーターコントローラーを必要としていました (図1）。

私は、古典的な TL494 PWM (パルス幅変調) チップに基づいた設計を考案しました (図2 ）。このテキサス・インスツルメンツのチップは、ON Semi およびその他の企業によって二次供給されています。販売代理店はこのチップを少量ずつ販売しており、価格は 1000 個あたり 24 セントから 1 個あたり 60 セント (2016 年) です。 Teledyne に相談したときに、このチップが気に入っていることがわかりました。 F-16 戦闘機のレーダー妨害装置用の電源を設計しました。 TL494 はセラミック DIP パッケージで提供されるため、ミルスペックプロジェクトや非常に信頼性の高い産業用アプリケーションで使用できます。最近では小型化と耐振性を考慮してSOICで設計しています。この部品は超小型化のために TSSOP も採用されています。

Steve が必要とする大きなアンペア数を得るために、チップに 100V と 16A を処理できる大型の TO-3 メタル缶 PNP ダーリントントランジスタを駆動させるようにしました。モーターとモーターに接続されているワイヤのインダクタンスによって、100V を超えるスイッチングスパイクが発生する可能性があるため、モーターの両端に堅牢なクランプダイオードを配置する必要があります (図3）。

図4; 回路はモーター (赤) にパルスを加えます。これは、制御電圧が設定されたしきい値 (黄色) に達したことに基づいています。モーターに流れる電流は最大 4 アンペアに達し、その後オフタイム (緑色) が経過すると低下します。電流の小さな振動は、モーターと配線のインダクタンスがスナビングダイオードの静電容量と相互作用することによって発生します。

DC 入力電圧を可変幅パルスに分割することで、モーター速度制御を実現します。動作周波数を 8.7kHz にするために C3 と R5 を選択しました。 IC がまったくチョップしない場合は、バッテリーの全電圧がモーターに印加されます。短く狭いパルスをモーターに印加すると、平均電圧が低くなり、モーターの動作が遅くなります (図4 ）。パルスが消滅するほど狭い場合、モーターに電圧が印加されなくなり、回転が停止します。モーターに負荷がかかっていない場合、モーターの逆起電力（起電力）が発電機として電圧を生成するため、電圧波形は波打つように見えます。

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これらのパルスをモーターに適用するのは残酷に見えるかもしれませんが、モーターは磁気で動作し、磁気は電圧ではなく電流によって作られることを覚えておいてください。したがって、コントローラーが電圧パルスを印加している間、モーターのインダクタンスがこれを電圧に比例する電流ランプに変換します。

機械設計のために、TO-3 トランジスタを取り付けるためにすでに穴あけ済みのヒートシンクをサルベージヤードで購入しました。取り付ける際にはマイカインシュレーターとサーマルグリスを使用しました。トランジスタマウントのスタッドも間隔をあけて回路カードを取り付けました。サルベージヤードで10キロオームのスライドポットもいくつか拾いました。 ProCADで基板をレイアウトしました。回路基板を作成するには、レーザープリンターで透明シートを貼り付けたプレコート基板を使用しました。フォトレジストが露光されたら、加熱した塩化第二鉄のトレイにフォトレジストを置きました。

また、フォトレジスト PCB 材料や透明シート、塩化第二鉄をいじるのではなく、きちんとしたクイックターン製造ショップに PCB を注文するだけです。ある時点で、特に基本的な設計が問題なく機能することがわかった今では、ボードを作成するのがより簡単になります。

苦労して学んだもう一つの後悔。私はかつて、できるだけ早く顧客に届けるために、回収場の部品を使ってプロトタイプを設計したことがあります。彼はそれが気に入ったので、さらに 50 個要求しました。私が回収場に戻ったとき、彼らにはそれらの数量はありませんでした。彼らは同じ部品をどこで入手すればよいのか全く分かりませんでした。今では、Allied のような大手代理店を利用しているので、必要なだけ部品を入手でき、偽造品ではなく、同僚のエンジニアやハッカーもまったく同じ部品を注文できることがわかっています。再現性は科学的手法の重要な部分です。以下の BOM (部品表) には、このプロトタイプのサルベージヤードのヒートシンクやポット、その他の部品ではなく、利用可能な部品が含まれています。

私の最後の後悔は、赤い線が 12 ボルトのバッテリーのプラス端子につながっていることは誰もが知っていることを、友人のスティーブに本当にはっきりと伝えていなかったことです。彼はすぐにそれを逆向きに接続し、使用する前にプロトタイプの 1 つを爆破しました (図5 ）。ありがたいことに、3 つのプロトタイプを作成できるようになりました。 2 つはデザインの変更を比較できるもので、もう 1 つはマーケティングが盗んでキルギスタンのショーに発送したものです。

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DCモーターコントローラーパーツリスト

コンポーネントリファレンス

成分・材質

料金

ソース

モーター

モーター、DC セラミック永久磁石、ロングスタック - ボールベアリング、24 VDC

$127.07

アライドストック番号: 70217726

トランジスタ、NTE250 PNP シリコンダーリントン 100V IC=16A TO-3 ケース

$8.74

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