NI DAQ​と​LabVIEW​で​DC​モータ​コントローラ​を​実現

Hean Gay Rodney Tan, UCSI University

"NI LabVIEW​を​モータ​コントローラ​として​使用​する​こと​で、​多​機能​に​対応​できる​よう​DC​モータ​の​制御​を​単一​の​ソフトウェア​環境​で​行う​こと​が​でき​ます。" ​ ​ ​

- Hean Gay Rodney Tan, UCSI University

課題:

小規模​の​ひな型​(モデル)​から​大型​の​産業​アプリケーション​に​まで​対応​できる​モータ​制御​システム​を​開発​する。 ​ ​

ソリューション:

NI LabVIEW​を​メイン​コントローラ/​プロセッサ​として、​DC​モータ​の​制御​システム​を​開発​する。​NI DAQ​モジュール​を​インタフェース​として、​H​ブリッジ​を​サブ​コントローラ​として、​モータ​の​ホール​効果​エンコーダ​を​センサ​として​使用​する。 ​

作成​者:

Hean Gay Rodney Tan - UCSI University
​Yuen Peng Loh - UCSI University
​Ying Hua Tan - UCSI University

 

DC​モータ​は​直流​電流​によって​動作​し​ます。​その​回転​運動​により、​電気​エネルギー​を​機械​エネルギー​に​変換​する​こと​が​でき​ます。​ディスク​ドライブ​や​ロ​ータ​リ​アクチュエータ​など、​DC​モータ​は​多く​の​アプリケーション​で​使用​さ​れ​てい​ます。​私​たち​(UCSI​大学)​は、​DAQ(データ​収集)​モジュール​で​あるNI USB-6008と​グラフィカル​システム​開発​ソフトウェア​で​あるLabVIEWと​を​組み合わせ​て​使用​する​こと​により、​直交​型​の​ホール​効果​エンコーダ​を​備える​DC​モータ​の​回転​角度​と​回転​方向​を​制御​する​方法​を​実現​しま​した。​特に、​LabVIEW​を​採用​した​こと​から、​DC​モータ​を​複数​の​モード​で​動作​させる​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​一般​的​な​DC​モータ​は、​電圧​の​極性​に​応​じ、​時計​回り​または​反​時計​回り​の​どちら​か​に​連続​的​に​回転​し​ます。​それ​に対し、​エンコーダ​と​組み​合せ​た​こと​から、​ユーザ​が​要求​する​位置​で​DC​モータ​を​始動/​停止​できる​よう​に​なり​ま​した。​その​結果、​アプリケーション​の​可能性​が​大​きく​広がり​ま​した。

 

システム​の​概要

私​たち​は​NI LabVIEW​を​メイン​コントローラ/​プロセッサ​として、​DC​モータ​の​制御​システム​を​開発​しま​した。​それ​に当たって​は、​NI DAQ​モジュール​(USB-6008 DAQ)​を​インタフェース​として、​H​ブリッジ​を​サブ​コントローラ​として、​モータ​の​ホール​効果​エンコーダ​を​センサ​として​使用​しま​した​(図​1)。

 

モータ​の​リア​シャフト​に​は、​2​つ​の​ホール​効果​センサ​を​90​度​離​し​て​設置​しま​した。​これら​2​つ​の​センサ​によって、​最終​的​に​は​90​度​位相​が​ずれ​た​2​つ​の​方形​波​出力​が​生成​さ​れ​ます。​この​アプリケーション​では、​モータ​の​ギア​比​は​300、​エンコーダ​が​1​回転​当たり​に​生成​する​パルス​数​は​12​で​した。​そのため、​システム​全体​では、​メイン​の​シャフト​の​1​回転​当たり​に​生成​さ​れる​パルス​数​は​計​3600​となり​ます。

 

H​ブリッジ​は、​DC​モータ​の​回転​方向​を​制御​する​うえ​で​重要​な​役割​を​果​た​し​ます。​H​ブリッジ​が​電子​回路​として、​負荷​に対して​両方向​から​電圧​を​印加​する​こと​で、​DC​モータ​は​時計​回り/​反​時計​回り​の​両方​に​回転​する​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​この​アプリケーション​では、​電源​電圧、​電流​の​範囲、​誘導​性​の​過渡​応答​の​抑制​に​向け​た​出力​ク​ランプ​ダイオード​など​について​考察​しま​した。​そのうえで、​H​ブリッジ​用​の​IC​として​L293D​を​採用​しま​した。

 

ホール​効果​センサ​と​H​ブリッジ​回路​に​加​えて​LabVIEW​を​採用​した​こと​により、​DC​モータ​を​自由​に​制御​し、​多様​な​アプリケーション​の​ニーズ​を​満たす​こと​が​可能​な​システム​を​構築​でき​ま​した​(図​2)。

 


​この​システム​は、​DC​モータ​モード​と​サーボ​モータ​モード​という​2​つ​の​制御​モード​を​備え​てい​ます。​DC​モータ​モード​では、​モータ​が​時計​回り/​反​時計​回り​の​いずれ​か​に​連続​的​に​回転​する​とともに、​速度​の​表示​が​行​われ​ます。​その​際​に​は、​ユーザの選択に基づき、​システム​から​USB-6008​を​介​し​て​H​ブリッジ​に​2​つ​の​デジタル​出力​を​送る​こと​で、​モータ​の​回転​方向​が​制御​さ​れ​ます。​また​H​ブリッジ​に​別​の​デジタル​出力​を​送信​する​こと​によって、​モータ​を​始動/​停止​する​こと​も​可能​です。​さらに、​この​システム​では、​エンコーダ​の​出力​を​LabVIEW​と​USB-6008​の​アナログ​入力​に​送信​する​こと​で、​ユーザ​が​エンコーダ​の​出力​波形​を​監視​し、​その​時点​における​モータ​の​回転​速度​(回転​数/​分)​を​把握​できる​よう​に​な​って​い​ます​(図​2、​図​3)。

 

この​システム​では、​回転​方向​に​加​えて、​DC​モータ​(サーボ​モータ)​モード​における​角​変位​を​制御​する​こと​も​可能​です。​モータ​の​シャフト​は​設定​さ​れ​た​角度​で​変位​し​ます。​先述​した​よう​に、​メイン​の​シャフト​の​1​回転​当たり​に​生成​さ​れる​パルス​の​数​は​計​3600​です。​パルス​の​数​が​目標​の​値​に​達​すると、​システム​は​モータ​の​シャフト​が​ユーザ​が​要求​する​角度​に​達​した​と​認識​し​て​モータ​を​停止​し​ます。​このように​し​て、​システム​は​モータ​の​角​変位​を​制御​し​ます。​また、​USB-6008​により、​パルス​入力​の​立ち上がり​エッジ/​立ち​下がり​エッジ​の​数​を​カウント​する​こと​も​可能​です。​そのため、​この​システム​では​エンコーダ​の​パルス​数​を​計算​する​こと​も​でき​ます。​ユーザ​が​要求​する​角度​を​達成​する​ため​に​必要​な​パルス​数​を​計算​し、​LabVIEW​の​ブロック​ダイ​ア​グラム​に​必要​な​演算​処理​を​盛り込む​こと​で、​DC​モータ​の​角​変位​制御​を​実現​しま​した​(図​4、​図​5)。

 

 

LabVIEW​を​導入​する​メリット

NI LabVIEW​を​モータ​コントローラ​として​使用​する​こと​で、​多​機能​に​対応​できる​よう​DC​モータ​の​制御​を​単一​の​ソフトウェア​環境​で​行う​こと​が​でき​ます。​DC​モータ​の​始動​や、​停止、​任意​の​方向​へ​の​回転​など​を​LabVIEW​上​で​ボタン​を​押す​だけ​で​実現​でき​ます。​さらに、​LabVIEW​上​で​仮想​ノブ​を​回す​だけ​で、​モータ​の​シャフト​を​ユーザ​が​要求​する​角度​に​回転​させる​こと​が​できる​ので、​容易​に​モータ​の​位置​調整​が​行​え​ます。​さらに、​LabVIEW​で​構築​した​フロント​パネル​の​波形​グラフ​によって、​エンコーダ​の​入力​を​リアルタイム​で​監視​できる​ため、​オシロスコープ​は​不要​です。

 

この​システム​開発​を通して、​ロボット​アプリケーション​に対する​LabVIEW​の​潜在​的​な​能力​の​高​さ​も​明らか​に​なり​ま​した。​実際、​開発​が​進む​につれて、​モータ​制御​の​利便​性​を​さらに​高める​機能​を​次々に​追加​する​こと​が​でき​ま​した。​また、​この​システム​は、​似​た​よう​な​制御​シーケンス​を​必要​と​する​ほか​の​アプリケーション​に​向け​て​容易​に​変更​する​こと​が​でき​ます。​LabVIEW​は、​モータ​アプリケーション​における​システム​制御​を​簡素​化​する​オープン​な​プラットフォーム​だ​と​言​え​ます。

 

まとめ

私​たち​は、​LabVIEW​による​シンプル​な​グラフィカル​プログラミング​の​メリット​を​活用​し、​モータ​用​の​エンコーダ​の​応答​を​リアルタイム​で​監視​する​システム​を​開発​しま​した。​オシロスコープ​と​同等​の​機能​を​ソフトウェア​によって​実現​する​こと​で、​開発​費​の​削減​を​達成​でき​ま​した。​また、​リアルタイム​応答​を​可能​に​する​こと​で、​プログラム​の​テスト/​編集​における​効率​の​向上​が​図​れ​ま​した。​この​システム​開発​によって、​DC​モータ​の​制御​において​LabVIEW​が​優​れ​た​選択肢​に​なる​こと​が​証明​さ​れ​ま​した。

 

著者​情報:

Hean Gay Rodney Tan
​UCSI University
​Jln Menara Gading UCSI Heights South Wing Malaysia Kuala Lumpur
​56000
​Malaysia
​Tel: 60-3-91018880-408
rodneyt@ucsi.edu.my

​ ​図​1. システム​の​構成 ​
​ ​図​2. DC​モータ​コントローラ​の​ひな型 ​
​ ​図​3. LabVIEW​で​構築​した​DC​モータ​の​制御​用​フロント​パネル ​
​ ​図​4. LabVIEW​で​プログラミング​した​DC​モータ​コントローラ​の​ブロック​ダイ​ア​グラム ​
​ ​図​5. LabVIEW​で​構築​した​DC​モータ​の​制御​用​フロント​パネル ​
​ ​図​6. LabVIEW​で​プログラミング​した​DC​モータ​コントローラ​の​ブロック​ダイ​ア​グラム ​