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ロボットシステム学
第4回
上田隆一
本日の内容
• 増幅
• Arduino最終回
– モータを動かす
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 2
前回の補遺
• 院生にArduinoを使わない理由をインタビュー
– 「変なノイズが乗る等、扱いにくい」
• 真相は分からないので
院生を突っついてみてください
• 両極端の考え方を使い分けることが大切
– 極限まで性能を追求
– 使いやすく・...
より電力を使うデバイス
• マイコンからの電流だけでは賄えない
– 外部から供給してマイコンから制御
• マイコンと大電流が流れる部分は
絶縁した方が良い
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 4
増幅に使われるデバイス
• トランジスタ
– ロボットから見るとかなり低層ですが
半導体からおさらい
• 特にモータにはモータドライバが用意されている
– Hブリッジ等をチップにしたもの
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 5
半導体(semiconductor)
• シリコン等の結晶に不純物を混ぜて作る
– N型半導体: 結晶構造という意味では電子が余剰
– P型半導体: 結晶構造という意味では電子が不足
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 6
e-
N型...
ダイオード
• 順方向に電圧が
かかっていない状態
– NとPの接合部で正孔が
消えている状態
• 順方向に電圧
– 正孔に電子が供給されて
電流が流れる
• 正孔と電子がくっつく
時に光が出るものが
発光ダイオード
Oct. 7, 2015 ...
バイポーラトランジスタ
• 半導体をNPNあるいはPNPの順で接合
– 真ん中(ベース)は薄く
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 8
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ベース
エミッ...
• (NPN型の場合)ベースとコレクタからエミッタに電圧
– エミッタから電子がベースに向かう
– ベースの層が薄く、エミッタからベースに来た電子が
コレクタに流れるようになる
• しかもベースから流れる電流よりもたくさん
– 作りは非対称なの...
MOSFET
• P(N)型半導体にN(P)型半導体を
埋め込んだトランジスタ
• MOS: metal-oxide-semiconductor
• FET: field effect transistor
– 他にジャンクションFET等
Oc...
電流が流れる仕組み
• ゲートに電圧をかけると、絶縁体下に電子が
引き寄せられる
• 絶縁体の下の半導体特性がPからNに反転
• NMOSの場合:
– 電子→正孔と読み替えてNとPを反対に
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 11
e...
フォトトランジスタ
• 原理
– PNP型のトランジスタのベースに光を当てると
光電効果で正孔と電子が分離
– エミッタから正孔に電子が流れる→電流
– エミッタからコレクタに増幅電流
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 12
e-
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フォトカプラ
• 発光ダイオードとフォトトランジスタを
組み合わせたもの
• 発光ダイオードのON/OFFで電流が流れる
• 絶縁に使う
– 発光ダイオード側をマイコンに
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 13
増幅回路
• モータをArduinoで制御する例をいくつか
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 14
DCモータを動かす
• アナログ(PWM)出力で
– コード
• 回路
– ダイオードはモータで発生する電力から
トランジスタを保護(還流ダイオード)
– モータの電源はマイコンを介さないこと(Vinから)
Oct. 7, 2015 ロボットシ...
Hブリッジ
• 先ほどの例は一方向きにしかDCモータを回せない
• 右図のようにスイッチを4つ
組み合わせると順逆両方から
DCモータに電流を送ることが可能
• 図の上のスイッチのペア or
下のスイッチのペアを通電すると
モータにブレーキをか...
モータドライバ
• Hブリッジその他モータを動かすために
必要な回路一式を持つIC
• 例(リンク先のデータシートを参照のこと)
– TA7291P(DCモータ用)
• 二つの入力端子を持つ
– それぞれ正転、逆転に対応
– SLA7070MR...
モータドライバの使用例
• DCモータ制御回路の例
– 参考(DCモーター実験キット| アールティ)
– ビデオ
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 18
レポートです
• Hブリッジの回路と制御プログラムを
123D Circuitに作りましょう
• URLを電子メールで送付のこと
– メールのタイトルのフォーマット
• robosys2015,<学籍番号>,<名前>
• メールの内容はURLだ...
採点基準
• 点数: プログラム通りちゃんと動けば20点
– コードの内容
• 速く回す→遅く回す→逆転で速く回す→遅く回す
– 何か問題があれば減点します
– できた人のを見ながら作ってもいいけど
ブレッドボードの穴の位置くらいは変更のこと
...
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ロボットシステム学2015第4回

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半導体の原理とモータについて少し

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ロボットシステム学2015第4回

  1. 1. ロボットシステム学 第4回 上田隆一
  2. 2. 本日の内容 • 増幅 • Arduino最終回 – モータを動かす Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 2
  3. 3. 前回の補遺 • 院生にArduinoを使わない理由をインタビュー – 「変なノイズが乗る等、扱いにくい」 • 真相は分からないので 院生を突っついてみてください • 両極端の考え方を使い分けることが大切 – 極限まで性能を追求 – 使いやすく・標準化 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 3
  4. 4. より電力を使うデバイス • マイコンからの電流だけでは賄えない – 外部から供給してマイコンから制御 • マイコンと大電流が流れる部分は 絶縁した方が良い Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 4
  5. 5. 増幅に使われるデバイス • トランジスタ – ロボットから見るとかなり低層ですが 半導体からおさらい • 特にモータにはモータドライバが用意されている – Hブリッジ等をチップにしたもの Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 5
  6. 6. 半導体(semiconductor) • シリコン等の結晶に不純物を混ぜて作る – N型半導体: 結晶構造という意味では電子が余剰 – P型半導体: 結晶構造という意味では電子が不足 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 6 e- N型半導体 P型半導体(正孔を持つ)
  7. 7. ダイオード • 順方向に電圧が かかっていない状態 – NとPの接合部で正孔が 消えている状態 • 順方向に電圧 – 正孔に電子が供給されて 電流が流れる • 正孔と電子がくっつく 時に光が出るものが 発光ダイオード Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 7 e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-e- e- e- e- e-e- e- e- e-
  8. 8. バイポーラトランジスタ • 半導体をNPNあるいはPNPの順で接合 – 真ん中(ベース)は薄く Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 8 e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- ベース エミッタ コレクタ NPN型
  9. 9. • (NPN型の場合)ベースとコレクタからエミッタに電圧 – エミッタから電子がベースに向かう – ベースの層が薄く、エミッタからベースに来た電子が コレクタに流れるようになる • しかもベースから流れる電流よりもたくさん – 作りは非対称なのでエミッタとコレクタは逆にならない Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 9 e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- ベース エミッタ コレクタ e- e- e-
  10. 10. MOSFET • P(N)型半導体にN(P)型半導体を 埋め込んだトランジスタ • MOS: metal-oxide-semiconductor • FET: field effect transistor – 他にジャンクションFET等 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 10 e-e- e- e- e- e- e-e- e- e- e- e- PMOSトランジスタ ゲート ソース ドレイン ゲート ソース ドレイン 絶縁膜
  11. 11. 電流が流れる仕組み • ゲートに電圧をかけると、絶縁体下に電子が 引き寄せられる • 絶縁体の下の半導体特性がPからNに反転 • NMOSの場合: – 電子→正孔と読み替えてNとPを反対に Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 11 e-e- e- e- e- e- e-e- e- e- e- e- ゲート ソース ドレイン 電圧 e- e- e- 電流 電流
  12. 12. フォトトランジスタ • 原理 – PNP型のトランジスタのベースに光を当てると 光電効果で正孔と電子が分離 – エミッタから正孔に電子が流れる→電流 – エミッタからコレクタに増幅電流 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 12 e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- エミッタ コレクタ e- e- e- e- 電圧の向き 光
  13. 13. フォトカプラ • 発光ダイオードとフォトトランジスタを 組み合わせたもの • 発光ダイオードのON/OFFで電流が流れる • 絶縁に使う – 発光ダイオード側をマイコンに Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 13
  14. 14. 増幅回路 • モータをArduinoで制御する例をいくつか Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 14
  15. 15. DCモータを動かす • アナログ(PWM)出力で – コード • 回路 – ダイオードはモータで発生する電力から トランジスタを保護(還流ダイオード) – モータの電源はマイコンを介さないこと(Vinから) Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 15
  16. 16. Hブリッジ • 先ほどの例は一方向きにしかDCモータを回せない • 右図のようにスイッチを4つ 組み合わせると順逆両方から DCモータに電流を送ることが可能 • 図の上のスイッチのペア or 下のスイッチのペアを通電すると モータにブレーキをかけることが 可能 • ショートさせないこと Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 16
  17. 17. モータドライバ • Hブリッジその他モータを動かすために 必要な回路一式を持つIC • 例(リンク先のデータシートを参照のこと) – TA7291P(DCモータ用) • 二つの入力端子を持つ – それぞれ正転、逆転に対応 – SLA7070MRT(ステップモータ用) • マイコンから正転/逆転、クロック、励磁ON/OFF、 励磁モード等の指令を入力 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 17
  18. 18. モータドライバの使用例 • DCモータ制御回路の例 – 参考(DCモーター実験キット| アールティ) – ビデオ Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 18
  19. 19. レポートです • Hブリッジの回路と制御プログラムを 123D Circuitに作りましょう • URLを電子メールで送付のこと – メールのタイトルのフォーマット • robosys2015,<学籍番号>,<名前> • メールの内容はURLだけで良いです • 受理通知は送ります • 実物で作ってもOK – Youtubeにアップの上URLを送付 • 締め切り: 14回講義前まで Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 19
  20. 20. 採点基準 • 点数: プログラム通りちゃんと動けば20点 – コードの内容 • 速く回す→遅く回す→逆転で速く回す→遅く回す – 何か問題があれば減点します – できた人のを見ながら作ってもいいけど ブレッドボードの穴の位置くらいは変更のこと • モータドライバを使ったら満点は15点 • 凝ったのを作ったらプログラムの上にテキストで 概要を説明のこと – 独断で最大30点までおまけします Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 20

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