ソーラーボート用 DC モータの PI 制御 ○岡崎 1 1 2 朋広，泉勝弘，有明工業高等専門学校教育研究技術支援センター 2 有明工業高等専門学校電気工学科 1. はじめに本校では，学生チームが毎年福岡県柳川市で開催されるソーラーボート大会に挑戦している．ボートの駆動には DC モータを使用しているが，年に一回の大会で上手くボートを操縦するには，モータの出力調整にある程度の慣れが必要である．この DC モータを PI 制御することによって，ボートの操縦に不慣れな初心者でも，負担の少ない操船が可能となり，練習時間の大小に関係なく安定して良好な成績が期待できる．また電気工学科では，制御の基礎を学ぶ工学実験として，シミュレータ機器を使った応答波形の解析やソフトウェアによるモータ制御系の解析などを行っている．しかし，基礎的な制御であるモータ制御についての理解度が低いという問題がある．その原因としては，１）制御工学で用いる式等が難解である，２）シミュレーションでは制御対象となるモータがないため，現実の制御の様子を体感して理解しにくい，３）伝達関数や応答波形による抽象的なデータに関心や興味が湧きにくい，などが挙げられる．そこで，本研究では理解度が低い原因２）と３）を改善するために，ソーラーボート用 DC モータとスクリューを用いた推力実験装置を設計・試作し，ソーラーボート用 DC モータの PI 制御を試みた．従来は市販のコントローラを直接手動で制御していたが，コントローラを含めたモータを制御対象として，マイコンによるフィードバック制御を行った．現実の制御の実例を体感することで，関心や興味を持って理解することができるのではないかと考える． 2. 実験装置の概要実験装置は過去にスクリューの推力を測定するために試作したものを使用し，駆動部と制御盤に分かれている．駆動部（図１）は組み立て式プール内に設置するもので，DC モータと軸，スクリューを設置している．軸は３個のベアリングユニットで固定し，モータとの接続はユニバーサルジョイントを使用した．制御盤（図２）の前面パネルには出力調整用ツマミ，回転数（ディジタル），モータ電圧・電流図１駆動部図２制御盤（ディジタル／アナログ），バッテリ電圧電流（ディジタル／アナログ）の表示器を配置した．回転数の計測は軸に取り付けた歯車の凹凸を近接センサで検知し，そのパルスを[rpm]に変換し表示している． 3．制御システムの設計と実装モータコントローラにステップ入力を与えた時のスクリューの回転数の応答波形を解析し，むだ時間＋一次遅れで近似して伝達関数を求め，制御系のモデル化を行った．モデルを離散化し，C 言語でプログラムを作成した．マイコンには浮動小数点演算機能がついた STM 社製 ARM Cortex-M4 を使用した． PI 制御系のブロック図を図３に示す．図３ PI 制御系のブロック図 4. おわりに組み立て式プールなどは常設に向かない大がかりな実験装置となるため，現在のところ工学実験で使用することはないが，ソーラーボート同好会の学生を対象に実験を実施する予定である．今後は，さらに効率の良いブラシレスモータに置き換えた実験もできるよう改良していく予定である．謝辞本研究は JSPS 科研費・奨励研究（23918006）の助成を受けたものである．