1. Ｈ８マイコンによるモータ制 御 矢萩研究室（川村研究室） 工 E12001 荒 宏志郎 工 E12010 佐藤 一樹 http://www.aomori- u.ac.jp/staff/yahagi/lab/GR_2003/a_sa/

2. 手順 目的 モータの分類 ステッピングモータについて 吸排システムについて 設計・製作 プログラム開発 呼吸回数の予測値と実測値 結果

3. 目的 昨年度は陰圧式による患者に優しい人工呼吸装置に ついて研究されている。 今年度は、昨年の課題であった吸排システムに焦点 を当て、そのシステムの中心であるモータの制御方 法について研究することにした。 モータにはステッピングモータを使用し、その制御 はＨ８マイコンで行うことにした。 このシステムが最適な呼吸条件にあった動作になる ようなプログラムの開発はＣ言語を用いて行った。

4. モー タ 直流（ＤＣ） モータ 交流 ( ＡＣ ) モータ その他 整流子ブラシ付き 整流子ブラシ無し シンクロナスモータ インダクションモータ 永久磁石界磁型 巻線 ( 電磁石 ) 界磁型 永久磁石界磁型ブラシ付きモータ コアレスモータ 分巻モータ 複巻モータ 直巻モータ リニアモータ ステッピングモータ ブラシレスモータ 超音波モータ モータの分類

5. ステッピングモータの諸特性 脱調：入力パルスに追従できずに、モータが異常振動したり、 停止する現象。 励磁最大静止トルク：定格電流を流し、静止している状態での保持トルク。 最大起動トルク：モータが動かすことのできる最大トルク。 10pps における トルクの値が用いられる。 引込みトルク：入力パルスに同期して起動できる、最大の負荷トルク。 脱出トルク：入力パルスに同期して回転できる、最大の負荷トルク。 自起動領域：静止状態から、入力パルスに同期して起動できる負荷トル クの範囲、範囲を超えるパルス入力に対しては、モータは 脱調する スルー領域：モータを自起動領域で起動した後、徐々に入力パルス周波 数を変化させた場合に、同期回転することにできる負荷ト ルクの範囲。この範囲を超えるパルス入力に対してはモー タは脱調する

6. ステッピングモータの動作原 理

7. 各種励磁方式による駆動のメカニズ ム １相励磁とは – 常時１相ずつ励磁するので、消費電力は少ないが、ダンピ ング効果が少ないため振動が発生しやすくなる。

8. 各種励磁方式による駆動のメカニズ ム １－２相励磁とは – 常時１相励磁と２相励磁を交互に繰り返す方式である。 モータのステップ角が半分になるため、回転がスムーズに なる。

9. 各種励磁方式による駆動のメカニズ ム ２相励磁とは – 常時２相ずつ励磁するので、１相に比べ消費電力は大きく なるが, 出力トルクが大きくダンピング特性に優れている。

10. 吸排システムについて シリンダー・ピストンとリード・スクリュウを使っ た仕組み このリード・スクリュウは精度はいいが、高 速での運動に適していないためあまり好まし くない。

11. 蛇腹とピニオン・ラックを使った仕組み 伝達部にピニオン・ラックを使い、ポンプ部 に蛇腹を使った仕組みである。この方式で使 用されるモータは、切り替えしが必要である。

12. シリンダー・ピストンとクランクを使った仕組 み 伝達部にクランクを使い、ポンプ部にはシリ ンダー・ピストン方式を使ったポンプの仕組 みである。

13. 設計・製作 回路・基板は CAD(CR-5000) を使って設 計 –System Designer で回路図を設計 –PWS （ Printed Wiring System ）を使い基板上 の部品配置設計、配線設計 基板加工機にデータを送り、プリント 基板を製作

14. 回路図

15. 回路基板の部品配置

16. 製作した基板

17. モニター用 LED の点滅プログラム モータの回転速度制御プログラム スイッチ操作によるプログラム プログラム開発

18. ＬＥＤ点滅プログラムのフロー チャート START ポート５を出力に設定 無限ループ ポート５に LED 点滅 データ出力 Wait LOOP END

19. ＬＥＤの動作確認 #include int main(void) { long i; IO.PCR5 = 0x ｆｆ ; // Ｐ５を出力に設定 while (1) {// 無限ループとする IO.PDR5.BIT.B0 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B1 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B2 = 0; // ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B3 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B4 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B5 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B6 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B7 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ for (i = 0; i < 60000; i++) ;// 無駄ループによるウエイト IO.PDR5.BIT.B0 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B1 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B2 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B3 = 1;// ＬＥＤ ＯＦＦ IO.PDR5.BIT.B4 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B5 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B6 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ IO.PDR5.BIT.B7 = 0;// ＬＥＤ ＯＮ for (i = 0; i < 60000; i++) ; // 無駄ループによるウエイト }

20. スイッチによるモータの回転速度制 御 プログラムのフローチャート ＳＴＡＲＴ ポート８を出力に設定 ＬＯＯＰ 無限ループ スイッチを入力に設定 ＥＮＤ SW は ON か OFF か？ モータ回転 ON モータ停止 OFF

21. スイッチによるモータの動作確認 #include int main(void) { long i; IO.PCR8 = 0xff; // Ｐ８を出力に設定 IO.PDR8. BIT.B1=1; while (IO.PDR1.BIT.B0=0){// 無限ループとする IO.PDR8. BIT.B0=1; IO.PDR8. BIT.B2=1; IO.PDR8. BIT.B0=0; IO.PDR8. BIT.B2=1; for(i=0;i<60000;i++);// 無駄ループによるウエイ ト }

22. 吸気・排気時間 呼吸条件を調べる際に、実際の呼吸回数と予測値の 両方 について実験した。 予測値はインターネットで公開されており、下の式 で表さ れる値である。 Ｆ ＝ １分間の脈拍数 ÷ ５ F は安静時における１分間の呼吸回数である。

23. 予測値と実測値 １回目２回目３回目平均値 予測値１日目 14171415 ２日目 1517 16 ３日目 13151213 実測値１日目 13171214 ２日目 13121112 ３日目 12101713

24. モータの回転速度制御プログラムを用いてタイマーの 値に対する 1 分間のモータの回転数を計測したものであ る。 タイマーの値に対する 1 分間のモータの回転数

25. 結果 開発した３つのプログラムは、正常に 動作した。 人間の呼吸回数は 13 ～ 16 回 / 分となった。 測定結果から、この呼吸回数に相当す るタイマーの値を求めると 7500 ～ 8500 である。 課題 呼吸条件あった回転速度制御プログラ ムの開発