Mindstorms RCX ブレーキ制御調査

 BrickOS(RCX)のモーター制御には、正回転(forward)、逆回転(reverse)、開放(off)、ブレーキ(brake)の4種類の制御モードがあります。

 開放(off)とブレーキ(brake)は一見モーターが停止している状態が同じに見えますが、指で車輪(モーター)を回転させてみると、開放とブレーキで車輪(モーター)の回転の滑らかさが異なる(後者はブレーキがかかっている)ことが分かります。

 モーターを制御した時のRCXの出力ポートの電圧を測定することで、BrickOS(RCX)のモータ制御方法(ブレーキの原理)を考察します。

最初にモーターを接続しない状態の出力ポートの波形を次に示します。

開放出力波形
制御方法:1秒間 連続駆動 (MAX SPEED) ⇒ 開放 (off)

出力ポートからは、7Vの矩形波が1秒間きれいに出力されていることが確認できます。

次に同じ制御方法でモータを接続したときの出力ポートの波形を示します。

モーター出力波形ブレーキなし
制御方法:1秒間 連続駆動 (MAX SPEED) ⇒ 開放 (off)

 1秒間一定電圧(7V)を保った後に、緩やかに電圧が低下することが分かります。
 これは、RCXからの電力の供給が断たれた後も、一旦回転を始めたモーター(車輪)が惰性で回転を続け発電したことによる電圧だと考えられます。これを一般に『逆起電力』と呼びます。

次に回転させたモータにブレーキをかけたときの波形を示します。

モーター出力波形ブレーキあり
制御方法:1秒間 連続駆動 (MAX SPEED) ⇒ ブレーキ (brake)

 1秒間一定電圧を保った後、きれいに波形が立ち下がっていることが確認できます。
 この現象はRCXの出力ポートがショート(短絡)したことが原因だと考えられます。

これを確認するために、RCXの出力ポートのインピーダンスを測定したところ

開放(off)のとき
ブレーキ(brake)のとき 3.0 Ω

となりました。

 ちなみにDCモータの内部インピーダンスは約25Ωでした。

 実はRCXに搭載されているモーター駆動ICのブロック図は次のようになっています。

正回転 (forward) 逆回転 (reverse)
正回転 逆回転

 モーターの回転方向(電流の向き)を制御するための、このようなスイッチ回路(実際にはトランジスタ回路)をHブリッジ回路と呼びます。

開放 (off) ブレーキ (brake)
開放 ブレーキ

 開放(off)のときは、モータの両端のスイッチが全て開いているため、モーターに逆起電力が発生しても電流は流れません。したがってモーターの回転が電気エネルギーに変わることはありません。
 一方のブレーキ(brake)のときは、モーターの両端のスイッチがループを構成するため逆起電力により電流が流れます。モーターの回転エネルギーは電気エネルギーに変わります。つまり、このときモーターは発電機として振る舞います。このとき発生する電気エネルギーは(モーターの内部)インピーダンスで消費されて熱エネルギーに変わります。結果としてモーターに伝えられた運動エネルギーが熱エネルギーに変換されることでブレーキとしての効果を果たします。
 ちなみに、鉄道の発電抵抗ブレーキは、これと同じ原理です。


‘Mindstorms’, ‘Mindstorms RCX’ は、レゴグループの登録商標です。


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