HブリッジモータドライバIC(TB9051FTG)を使ってみた

HブリッジモータドライバICとは、IC内のHブリッジ回路でモータを駆動(ドライブ)するためのものです。このモータドライバを上手く使用することで回転方向を正転・逆転と2方向にできたり、回転スピードを調整したりと自由にモータを制御することができるようになります。

動作原理を簡単に説明します。

モータはブラシ付きDCモータを使用します。このモータには基本的に2本の端子があり、この端子に電圧を印加することでモータを駆動します。2本の端子の接続の組み合わせは以下の4種類になります。

  ①2本の端子をどこにも接続しない。(一方が接続して他方が接続していない場合も同じ)
  ②一方の端子にDC電源の(+)を、他方に(-)を接続する。
  ③DC電源を②と逆の極性でモータに接続する。
  ④2本の端子同士を接続する。

この4種類の状態は、4つのスイッチを用いた以下の回路で実現できます。この回路の形状がアルファベットの「H」に似ていることから、Hブリッジ回路と呼んでいます。

①の電源端子がどこにも接続していない状態は、SW1~SW4のすべてがOFFになります。
②の一方の端子にDC電源の”+”を、他方に”-”を接続するためには、SW1、SW4をONにしてSW2、SW3をOFFにします。これでモータは正転します。
③は②とは逆の接続です。SW1、SW4をOFF、SW2、SW3をONにします。これで②とは逆方向へ回転(逆転)します。
④は電源端子同士の接続です。SW1、SW3をOFF、SW2、SW4をONすると端子同士が接続状態になります。

接続の組み合わせをわかりやすく説明するために上図はスイッチを使用しましたが、実際の電子回路では4つのスイッチは半導体のパワートランジスタ(MOSFET)を使います。以下の構成が実際のHブリッジ回路です。この回路では電源の”VCC”側のトランジスタ(PWM1_H、PWM2_H)にPチャネルMOSFET、”GND”側のトランジスタ(PWM1_L、PWM2_L)にNチャネルMOSFETを使用しています。

VCC”側のトランジスタ(PWM1_H、PWM2_H)をHigh-Sideドライバ、”GND”側のトランジスタ(PWM1_L、PWM2_L)をLow-sideドライバといいます。また、左側のHigh-SideドライバとLow-sideドライバの組み合わせをPWM1、右側のHigh-SideドライバとLow-sideドライバの組み合わせがPWM2になります。

出力状態を以下に示します。High-sideドライバとLow-sideドライバの組み合わせで、上記4種類の動作を実現させます。High-Zとは、ハイインピーダンスのことで接続がオープン状態になっていることを指します。

今回、東芝製のTB9051FTGをHブリッジモータドライバICとして使ってみました。東芝製TB9051FTGは、1台のブラシ付きDCモータを4.5V~28Vで両方向回転制御するHブリッジモータドライバICです。 最大約2.6Aまで連続供給でき、数秒間は最大ピーク電流5A(定格)を供給できます。

東芝製のTB9051FTGをHブリッジモータドライバICのピン配置は以下になります。

イネーブルピンを標準状態にして(ENはHigh、ENBはLow)、ドライバを有効にすることができます。ドライバが異常を検知した時はDIAGを”L”に出力してドライバの駆動を停止します。以下にモータファンクション一覧を示します。

正転、逆転、ブレーキ(停止)の動作をHブリッジで表すと以下になります。

TB9051TFGのデータシートを参考にHブリッジの駆動回路を作成しました。

作成した駆動回路が問題なく動作するのかブレッドボード上に回路を組んで確認しました。東芝製のTB9051FTGをHブリッジモータドライバICは足が無いタイプの表面実装部品(QFN28)のため、以下のテストアダプタを使用してブレッドボードに実装しました。

モータを正転動作させるように”a”の組み合わせでブレッドボードで作成した回路に入力しました。PWM1はESP32を使用して信号をスイープ(1kHz一定、0~100%)させて、Duty信号を変化させモータの動作速度を変えてみました。

動作結果は、1,2回はモータが動作しますがすぐにモータが停止しました。電源を一度落として再投入するまで動作しない状況でした。再投入しても1,2回は動作しますがすぐにモータが動作しなくなる現象は変化なしでした。

原因は、Hブリッジモータドライバ(TB5091TFG)のDIAG端子が動作途中で”L”を出力しており、ダイアグを検出していました。その時に電源電圧が20.45Vから5.9Vに変動していました。電源電圧の変動が影響していると推測されました。

そのため、電源電圧の変動を緩和するため、電源回路に以下のノイズ対策回路を追加しました。

すると、電源電圧の変動は11.15Vから12.35Vと緩和され、ダイアグも検出されなくなりました。モータも安定して連続駆動できるようになりました。連続8時間以上不具合なし。

このように今回作成したHブリッジ駆動回路が、電源回路にノイズ対策回路を追加することで正常に機能することを確認できました。

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