ステッピングモータードライブ基板のKiCad5データ

モータドライブ基板のデータを公開します

PIC18F45K22CPUボードに重ねて使う、ステッピングモータやDCモータをドライブ出来るモータドライブ基板のKiCad5用データです。
ロボットコンテストで使うステッピングモータやDCモータのドライブ基板の参考として設計しました。
この基板は部品の配置までで、パターンは完成していませんので、御自分でドライブ基板を設計する時の参考データとしてお使いください。
githubの下記リンクに置いています。

KiCad5-StepMotorDriveType1

回路図PDF

StepMotorDriveType1-V10_sch

データとライセンス

ライセンスはオープンソースハードウェア扱いとし、オリジナル元の記載を忘れないようにしていただければ、使用上の制限は設けません。

モータドライブ基板 について

バイポーラステッピングモータ用として、秋月電子にあるドライブICの中から使い勝手の良さそうなL298NとパワーリレーEP2-3S3LAbをそれぞれ2個搭載した基板を設計してみました。

基板パターンの作り方

上図のように、部品のフットプリントを配置しただけでパターンは殆ど引いていません。
基板サイズは Fusion PCB の特価サービスが利用できる100㎜x100㎜に設定しています。

モータードライブ基板など、数アンペア以上の電流を流す基板で注意することは、バターンの太さを出来るだけ太くすることです。
パターンに流れる電流とパターン幅は、1ozの銅箔を使った時に1A/1mmと言われています。これは大電流を流した時にパターンの抵抗により発熱してパターンが焼損することを防ぐための目安です。

銅箔の厚みは面積当たりの重さ(単位oz)で表記されていて、標準が1ozで約35umです。信頼性が必要な時には2oz, 3ozの基板を指定することも出来ますが、特価サービスが使えないため値段が10倍以上になってしまいます。

L298Nの機能

L298Nには最大2Aの電流を制御できるフルブリッジドライバが2つ含まれていて、一個のバイポーラのステッピングモーター、または二つのDCモータの正逆転、回転数を制御することが出来ます。

L298Nの出力ピンとコネクタの間のパターン幅は出来るだけ広くとって下さい。
最大電流が2Aのモーター用のパターン幅が0.5㎜であっても、回路は動作しますし、いきなりパターンが焼けることはありませんが、大電流が流れる部分には可能な限り太いパターンを使うようにして下さい。

パワーリレー EP2-3S3LAbの機能

このリレーは自動車のパワーウィンドウに使われているモータ等を正逆転制御することが出来ます。
リレーですから電流の調整は出来ませんが、一つのリレーの中に2つのコイルが入っていて電流の向きを変えてモーターを駆動することが出来、最大25Aの電流をON/OFFすることが出来ます。

このリレーの最大定格は25Aですが、リレーとコネクタの間が短いですし、25Aを定常的に流すアプリケーションは殆ど無い思いますので杓子定規に25A=25㎜幅のパターンを引く必要はありません。
実際に使ってみてパターンが過熱するようなら、ジャンパ線で接続する対策を取ることも出来ます。
ちなみにリレーに接続されているコネクタは定格電流10Aなので、大電流が定常的に流す場合は、コネクタが過熱しないかをチェックして、必要であれば対策を考えて下さい。

PIC18F45K22CPUBrdのフットプリントと3Dデータ

このCPUボードのフットプリントには図のようにPIC18F45K22CPUボードから出力した3次元データを設定してあります。
このようにKiCadで作った基板の3Dデータを、フットプリントのデータとして使うことで、3Dデータ付きのフットプリントモジュールを作ることが出来るというサンプルです。

サンプルデータの使い方

このサンプルデータをKiCadで開いて編集する方法については KiCad5サンプルデータの使い方 を参照してください

KiCad5サンプルデータの使い方

KiCadの使い方についての参考リンク

KiCad 使い方―Google検索
KiCad ことはじめ – kicad.jp
kicadの使い方(回路図編) – KiCADで基板設計

KiCad用データの使い方

KiCad 5をインストールしたPCのフォルダに 、Githubからサブフォルダも含めてサンプルデータのファイル全体をダウンロードして下さい。

KiCad5のファイルメニュー → プロジェクトを開く で、メインフォルダのプロジェクトファイル xxxxx.proを開けば回路図と基板を開くことが出来ると思います。

KiCad事始め

KiCadで回路図を作成し、基板データを作るおおまかな流れは次のようになります。

  1. 回路図レイアウトエディタの「配置→シンボル」で部品を配置する
  2. 「配置→配線」で部品のピンを配線でつなぐ
  3. 「ツール→回路図をアノテーション」で各パーツに固有記号を割り振る
  4. 「ツール→フットプリントを関連付け」でシンボルにフットプリントを割り当てる
  5. 「ツール→ネットリストファイルを生成」で基板に渡すデータを生成する
  6. PCBレイアウトエディタで「ツール→ネットリストをロード」で部品と配線情報を読み込む
  7. 基板の外形を決め、部品を移動して配置する
  8. 「配線」を使ってピン間のネットをパターン化する
  9. 配線が終了したら「配置→ゾーン」で空いた部分をGNDパターンで塗りつぶす
  10. 「検査→デザインルールチェッカー」でパターンをチェックする
  11. 「ファイル→プロット」でガーバーデータを出力する

基板Cadを使ったことのない人にとって慣れない言葉が多いので、最初は戸惑うと思いますが、工程自体はそれほど複雑ではありません。
参考リンクやテキストを見ながらひとつひとつ進めていけば慣れることが出来ると思います。

回路図シンボルやフットプリントについて

インストールしたKiCadのライブラリにあるシンボルやフットプリントを使う場合は、チュートリアルに沿って進めていくだけで基板データを作るのはそれほど難しくないと思います。

また、ここで提供した回路や基板データにあるシンボルやフットプリントはプロジェクトに含まれているので、新たに部品を使わずに済む場合は回路図やパターンを変更するだけで済みます。

KiCadを使ってパターンの作成まで出来るようになり、次の段階で戸惑うのは、用意されていないシンボルやフットプリント及び3D表示で使うフットプリントに割り当てた3Dデータではないかと思います。

実は、シンボルエディターとフットプリントエディターを使えば 、回路図シンボルやフットプリントの作成も それほど難しくはありません。
KiCadのライブラリには、膨大なシンボルとフットプリントが用意されていて、色々な場所のライブラリを使えるようになっています。

「設定→シンボルライブラリの管理」、「設定→フットプリントライブラリの管理」でプロジェクトで使うライブラリを指定することになっています。

自分が作ったシンボルやフットプリントの置き場所を管理するためにも、「シンボルライブラリの管理」と「フットプリントライブラリの管理」を使い慣れておく必要があります。

3次元表示用データの置き場所

このページの上の図にあるようにPCBレイアウトエディタの3Dビューアを使えば基板の仕上がりを立体的に確認することができ、 基板の実装前に3Dビューア―で部品の干渉を確認すること出来ます。
3次元CADを使ってロボットの機構設計をしているならば、実装済み基板の3Dデータをロボットに読み込んで確認することも出来ます。

KiCad5では多くの部品メーカーや3Dデータ提供サイトが提供している標準フォーマットのステップデータ(.stp)も読み込めるようになったので、少し慣れれば自分が作ったフットプリントを3Dデータ付きで表示できるようになりました。

提供しているデータをGithubからダウンロードしてKiCad5で開いて、3Dビューアを見ても基板の形だけが表示されて部品は表示されないでしょう。
3次元表示用データはダウンロードしたデータに含まれていますが、プロジェクトの設定ではプロジェクトにある3Dデータを認識できないためです。

3次元表示データを認識させるための手順

3次元表示データをKiCad\から認識して3Dビューアで上図のように部品を表示するためにはプロジェクトからKiCadライブラリにデータをコピーする必要があります。

プロジェクトディレクトリ下の modules\packages3d\jsd.3dshapesの
jsd.3dshapes をディレクトリごとコピーし

KiCadをインストールしたディレクトリの下のshare\kicad\modules\packages3d\に貼り付けます。

KiCadをインストールしたディレクトリの下にshare\kicad\modules\packages3d\jsd.3dshapes が出来て、その中に.wrl と .step のファイルがたくさんあればOKです。

ものづくりコンテスト出力ボードのKiCad5データ

ものづくりコンテスト演習用出力ボード のデータを公開します

工業高校ものづくりコンテストの課題演習に使える出力ボードのデータです。
KiCad5用データをgithubの下記リンクに置いています。

KiCad5-syutsuryokukiban20

回路図PDF

syuturyokukiban20_sch

データとライセンス

KiCad Ver5.0用にアップデートしました、githubを使って公開しています。
ライセンスはオープンソースハードウェア扱いとし、オリジナル元の記載を忘れないようにしていただければ、使用上の制限は設けません。

ものづくりコンテスト演習用出力ボードについて

ものづくり検定・コンテストの課題演習用に設計した出力ボードです。
ものづくり検定・コンテストの課題で使う出力基板に統一の規格はありませんが、過去の基板を少しづつ変更しながら使われているので、よく課題に使われる回路で基板を作ってみました。
部品には出来るだけ秋月電子で入手可能なものを使っています。

KiCad用サンプルデータの使い方

このサンプルデータをKiCadで開いて編集する方法については KiCad5サンプルデータの使い方 を参照してください