１０６．PWMでモーター制御

2001/05/03 【ソフトウエア編ＴＯＰに戻る】

ここでは、ＤＣモーターの速度制御をするのに欠かせないPWMについて触れてみたいと思います。これをしないとロボットが思うように動きません。いよいよTekuRobo工作室の本題に入っていきます。（大げさ！）

１０６−１．PWMとは

PWMとはパルス幅変調(Pulse Width Modulation)方式と呼ばれる手法です。なんのこっちゃ？という感じですが、大したことはありません。モーターの電源を高速で入れたり切ったりすることを繰り返すだけです。なんでそんなことでモーターの速度制御が出来るの？とも思いますが、ちゃんと出来ます。

小学生に、「モーターの速さを変えるにはどうしらいい？」と聞くと、「電池の数を増やす！減らす！」という答えが返ってきそうです。つまり、直列に繋ぐ乾電池の数で、モーターに掛ける電圧を増減させるー！と言うのです。

普通に考えるとこの答えは正解ですが、一定の電源電圧を供給している場合、モーターに掛ける電圧だけを変化させるには、抵抗やレギュレータなどで電圧を下げなければなりません。つまり、余計な電力を消費することによって、モーター電圧を可変させるわけです。これでは効率が悪いし、マイコンからの制御にも向いていません。そこで、PWM方式の登場です。

先ほど、PWMでは高速でモーター電源の入り切り（ＯＮ／ＯＦＦ）を繰り返す、と説明しました。ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すにもちょっと工夫が必要で、ＯＮにする時間とＯＦＦにする時間の比を変えてあげるのです。この比をデューティー比といいます。上の図の左側では、デューティー比が高いほどＯＮになっている期間（オレンジ色の部分）が長く、デューティー比がゼロではずっとＯＦＦのままである様子を示しています。

モーターにこういうタイミングで電源を与えてあげると、あたかもアナログ的に電源電圧を可変してあげたかのように、速度の制御が可能になります。これがPWMによる制御です。

必要な期間しか電源をＯＮにしないので、不要な電力を消費することもありませんし、パルス幅だけで制御できるため、マイコンには扱いやすい方式です。

ただし注意が必要なのが、パルスを与える周期です。つまり、何秒おきにＯＮ／ＯＦＦを繰り返すか、を最適に設定してあげないといけません。例えば、周期を１０秒に設定したとすると、デューティー比が５の場合、５秒ＯＮ／５秒ＯＦＦを繰り返すことになります。これでは、何の役にも立ちません。ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すといっても、モーターがスムースに回転し続けなければ意味がありません。モーターにはそれぞれ固有の慣性力があり、回転中に電源をＯＦＦにした場合、慣性力によってどれくらいの期間回転を続けるか、の特性があります。PWM制御を行なう場合、この慣性力が働く期間で周期を設定してあげないとスムースな速度制御が出来ません。大体、数百Ｈz〜数ＫＨｚくらいの周期が最適のようです。具体的には、あとで色々と試して決めます。

【先頭に戻る】

１０６−２．ＰＷＭのテストプログラムでモーターを動かす

AKI-H8/3048F CPUボードでは、ITU0〜4を使って５チャンネル分のPWM信号を得ることが出来ます。今回のテストプログラムでは、ITU0からPWM信号を出力させて、ＤＣモーター駆動回路を経由して実際に、モーターを動かしてみます。

ITU0のPWM出力は、PIOポートAチャンネルのBit２と端子を共用しているため、開発キットのポートAを外部に出力しているコネクタを、ＤＣモーター駆動回路に接続します。

H8-3048/F CPUでは、ITUによって以下のようなタイミングでPWM波形を出力します。

GRBをカウンタクリア要因に設定した場合、カウンタ値がGRAを過ぎてからGRBに達するまでの期間、パルスが出力されます。なので、GRBでパルス周期を設定し、GRAでデューティー比を設定することが出来ます。なお、GRA > GRB の関係となるように値を設定すると、デューティー比が０（ゼロ）、つまりパルス出力されない状態とすることができます。

下のプログラムはポート４のスイッチSW1〜4を押すことによって、それぞれ設定された速度でモーターが回転します。プログラム上では、それぞれのスイッチに以下のデューティー比を設定してあります。

つまり、SW1が一番遅く回転し、SW4が一番早く回転します。

ソースプログラムは、ここをクリックするとダウンロードできます。(pwmtest1.c)

また、ハードウエアについては、電子回路編 ３．AKI-H8開発キットの回路の[13]PORTA 接続コネクタおよび、４．ＤＣモーター駆動回路を参照して下さい。

なお、スタートアップオブジェクトは、今回割込みを利用していないので、startup.marで結構です。（ちなみに割込み対応のstartup2.marでも問題なく動作します）

　【先頭に戻る】

１０６−３．テストプログラムpwmtest1.cの説明

このプログラムは、特に関数を分けていません。全てmain関数の中だけで処理しています。

■3048f.hのヘッダファイルを読み込む

#include <3048f.h>

■ITUタイマーモードの設定

     ITU.TMDR.BIT.PWM0 = 1; /* ITU0 PWMモード */

ITU.TMDRは、ITU5チャンネル分のPWM動作のON/OFFを設定するレジスタです。その他、ロータリエンコーダを使う場合の設定も行ないますが、今回は使用しません。TMDRとはタイマーモードレジスタのことで、以下の意味を持ちます。

Bit7は未使用です。

MDFおよびFDIRはロータリエンコーダを使用するときに設定します。今回は使用しません。

PWM4〜PWM0は、対応するBitを1に設定すると、その対応するITUのTIOCA出力がPWM出力として動作します。今回はPWM0だけをPWMとして動作させるため、Bit0だけを1にします。

なので、 ITU.TMDR.BIT.PWM0=1; とします。

■ITUタイマーコントロールレジスタおよびGRA,GRBの設定

     ITU0.TCR.BYTE = 0x43;   /* GRBコンペアマッチ clock 1/8 */
     ITU0.GRA = 0xFFFE;      /* GRAを65534に設定            */
     ITU0.GRB = 0xFFFD;      /* GRBを65533に設定            */
     ITU.TSTR.BIT.STR0 = 0;  /* カウント停止状態            */

TCR（タイマーコントロールレジスタ）の設定方法については、１０３．タイマーで正確な時間稼ぎをするのページを参照して下さい。今回は、以下の設定にしています。

カウンタクリア要因をGRBとする。　CCLR1 = 1, CCLR0 = 0

カウンタはクロックの立ち上がりエッジでカウントする。　CKEG1,2 = 0

カウンタは内部クロックφ／８でカウントする。　TPSC2 = 0, TPSC1,0 = 1

設定値は0100 0011なので、16進数で43Hです。なので、ITU0.TCR.BYTE = 0x43; です。

また、GRBをカウンタクリア要因とすると、GRA > GRB に設定した時、PWM出力はデューティー比が０（ゼロ）になり、モーターが停止状態になるため、

     ITU0.GRA = 0xFFFE;       /* GRAを65534に設定  */
     ITU0.GRB = 0xFFFD;       /* GRBを65533に設定  */

という値を初期値として設定しておきます。

     ITU.TSTR.BIT.STR0 = 0;   /* カウント停止状態  */

では、カウンタを停止状態にしてあり、ＰＷＭ出力を止めています。

■ＰＩＯポートの設定

     PA.DDR = 0xff;           /* portA出力に設定             */
     P4.DDR = 0x00;           /* port4入力に設定 操作用sw1〜4*/
     P4.PCR.BYTE = 0xff;      /* port4プルアップon           */

     PA.DR.BIT.B3 = 0;        /* portA bit3を0固定とする     */
     ITU.TSTR.BIT.STR0 = 1;   /* カウント開始                */

ポートＡを出力に設定し、ポート４を入力に設定しています。ポートＡのBit2はPWM0の出力端子としてパルス動作しますが、ＤＣモーター駆動回路へはBit3とペアで制御信号を与えてあげる必要があり、Bit3は常に０（ゼロ）でないとモーターは動作しないので、PA.DR.BIT.B3 = 0; としてあります。ＤＣモーター駆動用ＩＣの動作表を下記に記します。

今回、VIN1入力にPWMのパルス信号を与え、VIN2は0固定とします。なので、モーター動作は「逆転」のPWM動作となります。この、VIN2を0に固定するのがPA.DR.BIT.B3 = 0;ということになります。（４．ＤＣモーター駆動回路も参照してみて下さい。）

設定部の最後にITU.TSTR.BIT.STR0 = 1;としてカウントを開始させ、PWM0のパルス出力をさせています。

■スイッチによるモーター駆動動作

while(1){　} で無限ループを作っています。で、ループの中で、各スイッチに対応させたPWM動作の設定を変化させています。

ここでは、ITU0.GRAの値を変化させることによって、PWMのデューティー比を変えています。

               ITU0.GRA = 0xE665;   /* GRAを58981に設定 */　デューティー比 ０．１
               ITU0.GRA = 0x7FFF;   /* GRAを32767に設定 */  デューティー比 ０．５
               ITU0.GRA = 0x4CCC;   /* GRAを19660に設定 */  デューティー比 ０．７
               ITU0.GRA = 0x1999;   /* GRAを6553に設定  */  デューティー比 ０．９
               ITU0.GRA = 0xFFFE;   /* GRAを65534に設定 */  デューティー比 ０

　【先頭に戻る】

このように、ITUによってPWM波形を出力させると、GRAの値を変化させてあげるだけで、簡単にモーターの速度制御ができます。今回はVIN1にだけPWM波形を入力し、VIN2は０に固定したため、片方向のみのモーター制御でした。正転／逆転の制御を行なうためには、更に工夫が必要となりますが、今回の原理さえ分かってしまえば簡単に対応できます。

とりあえず今回は、基本動作のご紹介でした。

【ソフトウエア編ＴＯＰに戻る】