最適なモータードライバー選定：包括的ガイド

モータードライバーとは？

Arduinoでモーターを制御したい場合、モータードライバーが必要です。では、モータードライバーとは何か、どう適切なものを選ぶのか？

本記事ではそれらの疑問に回答します！利用可能なモータードライバーの種類、各タイプの機能、プロジェクトに適したものの選び方を議論。モータードライバーについて知るべきすべてを学ぶため読み進めてください！

モータードライバーとは？

遊星ギアBLDCモーター

モータードライバーは、電気モーターの速度と方向を制御する電子デバイスです。おもちゃ、ラジコンカー、ロボットのような小型モーター制御に使用可能。産業用途の大型モーター制御にも使用可能。

モータードライバーは必要か？

モータードライバー使用の主理由：モーター駆動に必要な大電流からマイクロコントローラーを保護するため。モーターを直接マイクロコントローラーに接続すると、流れる電流でマイクロコントローラーが破損します。

もう一つの理由：マイクロコントローラーより多くの電力を供給可能。重い負荷移動や大電力モーター駆動が必要な用途で有用。

モータードライバーの動作原理

モータードライバーICはパワーアンプ。マイクロコントローラーからの低電力信号を受け、モーター駆動に十分な電力へ増幅。ほとんどのモータードライバーは過電流/過温度保護を内蔵し、マイクロコントローラーとドライバー自体を保護。

モーターの停止方法（ブレーキ）

モーター停止時の2オプション：

コースティング（惰性停止）

モーターから電源を切る方法。欠点：モーターがしばらく回り続け、自身や接続機器を破損する可能性。

ブレーキング（制動）

逆方向に電力を印加しモーターをほぼ即座に停止。欠点：モーターに大きなストレス、破損リスク。

用途により選択。即座停止必要ならブレーキング、惰性回転許容ならコースティング。自転車で下り坂ならコースティング、上り坂ならブレーキングと考えるとわかりやすい。

モーター種類も考慮点。ブラシ付きDCモーターなら大電流対応ドライバー必要。ステッピングモーターならマイクロステップ対応ドライバー必要。

モータードライバーの種類

主な2タイプ：ブラシ付きとブラシレス。

ブラシ付きモータードライバー：RCおもちゃ等の低電力用途に典型的。特別なセンサー/コントローラー不要で使いやすい。
ブラシレスモータードライバー：ドローン、電気自動車等の高電力用途に一般的。特別なセンサー/コントローラー必要でより複雑。

他にも以下のタイプあり：

DCモータードライバー

DCモーター

Source: Wikimedia commons

最も一般的なモータータイプ。ファンからハードドライブまで幅広く使用。速度と方向制御に使用。

サーボモータードライバー

サーボドライブ

Source: Wikimedia commons

ロボット、CNC工作機械等の精密制御用途に適用。位置、速度、トルク制御可能。

ステッピングモータードライバー

ステッピングモーター

Source: Wikimedia commons

電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気モータータイプ。速度と方向制御に使用。プリンター、スキャナー等の精密位置決め用途に適用。ステップレートと方向制御可能。

その他のタイプ

デジタルステッピングドライバー

デジタル信号でステッピングモーター制御するモータードライバー。

クローズドループステッピングドライバー

フィードバックでステッピングモーター制御するタイプ。

アナログステッピングドライバー

アナログ信号で制御するタイプ。

統合ステッピングドライバー

モータードライバーとマイクロコントローラー機能を統合したタイプ。ロボティクス用途でよく使用。

BLDCモータードライバー

BLDCモーターはブラシレスDCモーター。コンピュータハードドライブ、電気自動車等の高トルク低騒音用途に一般的。速度と方向制御に使用。

DCモータードライバー回路

トランジスタ使用DCモータードライバー回路

DCモータードライバー回路

基本的なDCモータードライバー回路。DCモーター、抵抗、パワートランジスタ（D880）で動作。

Hブリッジ回路

Hブリッジ回路

DCモーターの速度と方向制御用。双方向駆動必要な用途に使用。ロボット用途等（ロボット方向変更等）にも適用。

モータードライバーIC

モータードライバーICはモーター制御用特殊IC。DCモーター、サーボモーター、ステッピングモーター制御に有用。

主要なモータードライバーIC：

• L293D：Hブリッジ型ドライバーIC。リレー、ソレノイド、DC、バイポーラステッピングモーター等の誘導負荷駆動に使用
• L298N：Hブリッジ型ドライバーIC。DCモーター、ステッピングモーター、アクチュエータ駆動に使用
• A4988
• DRV8825：内蔵トランスレーターで容易操作のマイクロステッピングドライバーIC。バイポーラステッピングモーター駆動に使用

モータードライバーICの機能

• モーターへの電力供給
• モーターの速度と方向制御
• モーターのブレーキ
• 過電流によるモーター損傷保護
• 電流制限機能提供

モータードライバーの用途

一般的な用途：

• ラジコンおもちゃ：マイクロコントローラー信号を増幅しおもちゃのモーター制御
• ハードディスクドライブ：ディスク回転用スピンドルモーター制御

様々なタイプのコンピュータドライブ

• プリンター：給紙モーターとプリントヘッドキャリッジモーター制御
• 自動組立機：コンベアベルトモーター、グリッパーアームモーター等多様なモーター制御

モータードライバーICの利点

• マイクロコントローラーより多くの電力供給可能
• 過電流/過温度等への内蔵保護機能
• アンプとモータードライバーを1ICに統合し省スペース

モータードライバーICの欠点

• 高価になり得る
• 電圧と電流定格に注意必要
• 一部ICは使用が難しい

モータードライバーとは何か理解できたら、プロジェクトに適したものを選定する必要があります。種類が多く選定はトリッキーです。

適切なモータードライバータイプの選び方

モータードライバー選定時の重要因子：

使用モータータイプ（ブラシ付き/ブラシレス）

まずブラシ付きかブラシレスか確認。不明ならデータシート参照。

モーターの電圧

電圧定格、ロジックレベル、機能/能力を考慮。モーター電圧に定格対応し、マイクロコントローラーのロジックレベルを処理でき、必要な機能/能力を持つドライバー選択。多くのドライバーは電圧範囲対応（例：L293Dは+36V〜-36V）。使用電圧がドライバー指定限界内か確認必須。最大電圧超過でドライバー破損リスク。多くは0.65V〜36Vで動作。機能/能力も重要で、用途に必要なものを持つドライバー選択。

モーターの電流定格

モーターが引く電流量を処理できるドライバー選択必須。パワー不足なら過熱/モーター破損リスク。過剰なら無駄な機能にコスト浪費。ドライバーがモーターに供給可能な電流量。大型モーターで大電流必要なら高電流定格ドライバー必要（例：L293Dはチャネルあたり最大600mA）。

インターフェース

制御インターフェースも考慮。最も一般的はHブリッジ。モーター方向と速度制御可能。他にL293D、L298N、TB6612FNG等。各インターフェースは異なる機能/能力提供。マイクロコントローラー使用時はインターフェースのロジックレベルも考慮。多くはTTLロジック使用だが多くのモータードライバーと非互換。TTLマイクロコントローラーでモータードライバー使用時はロジックレベルコンバーター必要。

必要トルク量

トルク考慮時はストールトルク（モーターを動かないよう保持するトルク）に注目。ホールドトルクは負荷抵抗克服に必要。重い負荷移動なら高ホールドトルクモーター必要。

モーター回転速度

モーター回転速度も考慮。必要電力を供給し目標速度で回転可能なドライバー選択。

モーターのサイズと重量

ドライバーがモーターの重量とサイズをサポートできるか確認必要。

使用環境（屋内/屋外）

異なる環境向けに異なるドライバー設計あり。屋外使用なら防水ドライバー必要。

予算

価格も選定時考慮。手頃で予算内のドライバー選択。

インターフェースタイプ、電圧定格、ロジックレベル、機能/能力を考慮。用途に最適なモータードライバー選択。

Hブリッジとは？

Hブリッジは、スイッチとして2組のトランジスタペアを含むスイッチ回路タイプ。DCモーターの正逆動作をスイッチで制御。ほとんどのコントローラーはこの形で設計。両トランジスタオンで一方向回転、両オフで停止。ペア同時オン、片方オン/他方オフ、両オフの状態遷移で逆方向回転。各トランジスタのオン時間調整で速度増減制御。

まとめ

モータードライバーはステッピング/DCモーター制御可能なIC。多数のタイプがあり各々に長短所。代表的IC：L298N、DRV8825、TB6612FNG。選定時はモーターの電圧/電流要件、チップ許容最大電力損失、モーター必要スイッチング周波数対応可否を考慮。標準MCUでは高電力モーター直接駆動不可。高電力DC/ステッピングモーター制御にはモータードライバー必須。