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Fグループ電子工作講座

秋月電子SH7125ボードで始めるマイコン開発

モーターの電流を測る

しばらく前に倒立振子の動力として使おうと思い、ハイパーダッシュ3モーター
を購入したのですが、消費電流が大きいらしく放電性能3.1A(保護付き)のバッテ
リーでは回すことができませんでした。
また、適合するモータドライバが見つからず未だにまともな速度制御ができてい
ません。

一体どれだけ電流を食うのか、ミニ四駆向けの情報は見かけるのですが電子制御
向けの情報はなかなかみあたりません。
そこで意を決して電流クランプメーターを購入しました。

SANWA製 DCL31DR

直流/交流が測定でき、ピークホールド機能があります。

※クランプメータの選定
 クランプメーターは交流電流のみ測定可能なタイプと交流直流ともに測定可能
 
なタイプがあります。また、モーターの始動電流やコンデンサの突入電流を測
 定したい場合には瞬時値の表示を保持するピークホールド機能が必要になります。

なお、電流測定にホール素子という磁気センサーを使用しているので、近くにモータ
や磁石など磁気を帯びたものがあると正確に電流測定ができません。

これを使ってモーターの電流値を測ってみます。
測るのは
・無負荷電流(定常値)
・負荷電流(定常値)※条件はバラバラ
・始動電流(ピーク値)
・正逆反転電流(ピーク値)

測定対象

3V系

・FA130
・ハイパーダッシュ3
・パワーダッシュ
・RE260
※プラズマダッシュも測定しました:モーターの電流を測る2(2020/01/05)

6V系
Pololu 25mm 6V HP+4.4:1ギヤ付
Pololu 25mm 6V LP+4.4:1ギヤ付※2019/06/03追加

左:Pololu 6V LP+4.4:1 エンコーダ付き
中:Pololu 6V HP+4.4:1 エンコーダ無し
右:クローラーのキットについてきた9Vの詳細不明なモーター(ギヤ比は75:1)

7.2V系
・タミヤ 380K10※2019/06/06追加
・タミヤ 540+K10※2019/06/06追加
どちらのモーターも内部にノイズ対策用のコンデンサが組み込まれている。


12V系
Pololu 37mm 12V+30:1ギヤ付
Cytron 12V+10:1ギヤ付(SPG30HP-10K )※2019/06/05追加
 ちなみにPololu 37mm系およびCytron12V系はタミヤの380K75等と取付互換がある様です。

左:タミヤ 380K10
中:Cytron 12V 30:1
右:Pololu 37mm 12V 30:1
タミヤのケースだけギヤ固定用のM3ネジ穴は3か所です。

モータとギヤヘッドの組み換えは一部組み合わせのみ可能です。
ネジ穴の位置やピニオンギヤのモジュールと歯数は同じです。

Cytron、Pololu、タミヤ380、タミヤ540

タミヤ系はモータ軸が長いため、海外製のギヤが付きません。



タミヤのギヤを海外製モータへ付る事は可能です。

また、海外製のモータ同士でギヤ交換は可能です。

※2019/06/06追記
ただし、海外製モータへタミヤのギヤを付けると、ギヤの噛む幅が小さくなるので
あまりいい状態ではありません。


タミヤ同士なら問題なく交換でき、540K10等標準では存在しない組み合わせも
作ることができます。モータのプレートを底上げすればタミヤのモータに海外製
ギヤを付ける事も可能だと思います。

なお、ギヤのケースは長さが合えば任意に交換できます。
※2019/06/15追記
結局タミヤのギヤケースも追加工してM3のネジ穴を6か所にしました。


※2019/06/13追記
Cytronのギヤドモーターを同じものを2つ注文したのですが、若干仕様が違います。

最近届いた方(写真左)はステッカーが貼ってあって、樹脂部品の形状も違います。

ギヤを取り付ける部分のプレートも形状が違います。

ギヤの取付互換はあります。

電源

たっぷり電流を流せるように大容量リチウムバッテリーを使用します。
KEEPPOWER 18650 3120mAh 15A放電仕様

白いのは単3エネループ(サイズの比較対象)です。

3V系モーターの電源 1セル:公称3.7V フル充電実測4.18V
6V系、7.2V系モーターの電源 2セル:公称7.4V フル充電実測8.36V
12V系モーターの電源 3セル:公称11.1V フル充電実測12.5V

※リチウムバッテリーは3.7Vを1セルとして、直列接続すると直列数に応じて
 2セル、3セル・・・と呼びます。


3V系

無負荷電流

FA130:0.2~0.3Aぐらい
HD3:0.6~0.9Aぐらい
PD:0.6~0.9Aぐらい
RE260:0.1~0.3Aぐらい
無負荷だと1A以下に収まる様です。

始動電流(端子直結)
FA130:4A
HD3:14~15A
PD:16~17A
RE260:3~4A
ミニ四駆用のカスタムモーターは余裕で10Aを超えました。
放電性能3.1A(保護付き)のバッテリーで回らないのはこれが原因だと思います。

始動電流(スイッチ経由)

FA130:3A
HD3:6~7A
PD:7~8A
RE260:3A
配線が細い長いためか、電流値が小さくなりました。
でも10A近くまで流れます。

正逆反転電流(ピーク値)
正転フルスピードから一気に反転させます。
FA130:4A
HD3:10~11A
PD:11~12A
RE260:5A
やはり、始動電流より大きくなりました。
始動電流の2倍になるかと思っていたのですが1.5倍程度に収まりました。

負荷電流(ワイルド四駆に入れた場合)

FA130:0.5A~1.5Aぐらい
HD3:1~2Aぐらい
PD:1~2Aぐらい
適当に負荷を変えてみただけなので当てにはならない数値です。

本当はストール電流(負荷が大きすぎて止まった時)も測定したかったの
ですが、配線の発熱で火傷をしたので測定は諦めました。
他のモーターでの結果からすると、どうやら
 ストール電流≒始動電流
となる様です。

カスタムモーターで正逆を繰り返す場合はピーク20A程度確保する必要があります。


6V系

Pololu 25mm 6V HPモータはコギングトルクがかなり大きく、低速域での制御性は
あまりよくありません。これに対してLPは穏やかな性能です。
4.4:1のギヤは工場組み立て時にカラーをつけ忘れているのか空転します。
自作のカラーを入れたら空転しなくなりました。
センサー付きタイプだとノイズ対策用コンデンサが搭載されています。

無負荷電流
HP 0.5~0.6A
LP 0.1~0.15A

始動電流(直結)
HP 5~7A
LP 2.1A

始動電流(スイッチ)
HP 4.5~5A
LP 1~2A

正逆反転電流
HP 8~8.5A
LP 2~2.5A

負荷電流
HP 1~2A
LP 0.2~0.7A

ストール電流(スイッチ)
HP 5Aぐらい
LP 2.5Aぐらい

ミニ四駆用カスタムモーターより小さな電流値になりました。
およそカタログスペックだと思います。

HPはコギングトルクの影響により回り始めはトルクが小さくなります。
一度回り始めるとかなりトルクがあり、回り始めの電圧のままでも一気に
回転数が上がります。
低速域の制御特性が良くないため正逆を繰り返す様な用途には向きません。

LPはコギングトルクが小さく制御しやすいのですが、はやりトルクは
小さい様です。


7.2V系

基本的に電流値もトルクも大きいモーターです。
スペックの表記は海外製が「無負荷時性能+ストール時性能」に対してタミヤは
「無負荷時回転数+最大効率時トルク」なのでモータ選びの際に比較しづらいのが
難点です。


性能曲線が公開されている3633K36、380K75、540K75については性能曲線から
比較用の値を読み取ることができます。


無負荷電流
380 0.5~0.7A
540 1.1~1.3A

始動電流(直結)
380 20~23A
540 35~36A

始動電流(スイッチ)
380 9~10A
540 12~13A

正逆反転電流
380 17~18A
540 22~24A

負荷電流
380 1~3A
540 2~5A

ストール電流(スイッチ)
380 未測定(カタログ値13A)
540 未測定(カタログ値38A)

およそカタログ値通りですが、380モーターは始動電流(ストール電流)がカタログ値より
かなり大きな値になりました。
また、正逆電流が始動電流の倍ぐらいの値になりました。
駆動するにはかなり大きな電流が必要となります。


12V系

Pololu 37mm 12Vモータは穏やかで制御性は良好です。
大きな負荷をかけない範囲ではTB6612でも駆動できています。
同じくセンサー付きタイプだとノイズ対策用コンデンサが搭載されています。
Cytron 12Vモーターも穏やかなモーターです。

無負荷電流
Pololu 0.25~0.35A
Cytron 0.1~0.15A

始動電流(直結)
Pololu 5~6A
Cytron 3~4A

始動電流(スイッチ)
Pololu 5~5.5A
Cytron 2.5-4A

正逆反転電流
Pololu 6~7A
Cytron 3.5~4A

負荷電流
Pololu 0.5~1.5A
Cytron 0.5~0.7A

ストール電流(スイッチ)
Pololu 未測定(カタログ値5A)
Cytron 未測定(カタログ値3.7A)⇒多分4A

Pololu 25mm 6V HPより全体的に少し低い値になりました
始動電流の6Aが気になりますが負荷電流で最大1.5A程度なのでやはり大きな負荷を
かけなければTB6612で駆動できることが分かります。
激しく正逆を繰り返す場合でもピークはPololu 10A、Cytron 5Aあれば制御しきれそうです。


まとめ

「ストール電流≒始動電流」ということが分かりました。
また「正逆反転電流≒始動電流×1.5」ということも分かりました。

ミニ四駆のカスタムモーターをフルスペックで駆動させるには定常5Aピーク20Aぐらい
の電源とドライバが必要っぽいのですが、3V駆動でスペックを満たすモータードライバ
は未だにみつかりません。
※2020/01/05 ハイパーダッシュを駆動できました

また、コギングトルクなどカタログスペックから読み取れない値も制御性能に大きな
影響を与えることも分かりました。
細かな制御を行いたい場合はカタログスペックだけでなくある程度自分で特性測定を
行う必要があります。
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