【Raspberry Pi】PWM制御でDCモーターの回転速度を変化させよう！

2021年6月7日2024年3月17日

「Raspberry PiでDCモーターに電圧を加えても、回転速度は一定。モーターの回転速度ってどうやって制御するんだろう？」

これを解決するのがPWM制御です。

本記事では、Raspberry PiのPWM制御機能を使ってDCモーターの回転速度を変化させる方法について解説します。

▼今回の記事の完成形はこちら

この記事はこんな人におすすめ！
　・DCモーターの回転速度を変化させるPWM制御について学びたい人
　・Raspberry PiのPWM制御機能について知りたい人
　・Raspberry Piを使った電子工作を始めてみたい人

DCモーターの動かし方がまだ分からない人はこちらの記事がおすすめです。

DCモーターの速さを変えるPWM制御とは？

PWMはPulse Width Modulation(パルス幅変調)の略です。デジタル信号をON/OFF繰り返すことでパルス(矩形波)波とするとともに、ON/OFF時間割合を変え、パルス信号幅を変化させる手法です。

PWM制御がなぜDCモーター回転速度を変化させることと関係があるの？

デジタル信号ON/OFFを繰り返し、電圧値を制御

DCモーターの回転速度は、印加電圧に比例する特性を持っています。

しかし、Raspberry PiのGPIOからの電圧出力はHigh(3.3V)かLow(0V)かON/OFFでしか制御出来ません。

これではDCモーターの回転速度を可変にすることが出来ないです。

そこで、電圧出力をON/OFF繰り返しパルスとすることで、0～3.3Vの間を調整したのと同様な効果が得られます。

下図のように電圧出力ON/OFFの周期をパルス周期、ON時間をパルス幅と呼びます。

電圧値を決めるDuty比

Duty比とは、パルス周期に対するパルス幅の比のことです。

Duty比を変化させると下図のような電圧波形となります。

100%だと、ずっと電圧出力はHigh(3.3V)。0%だと、ずっと電圧出力はLow(0V)です。

PWM周期を短くするとモーター動きはスムーズになる

PWM周期は、電圧出力ON/OFF 1回あたりの時間です。周期によって電圧平均は変わりません。

では、PWM周期はどんな役割があるのでしょうか。

周期が長いとパルス1回あたりの電圧出力OFF時間が長くなります。電圧出力OFFではモーターが止まろうとするため、周期が長いとモーターがガクガク動き、スムーズに回転しなくなります。このため、モーター回転をスムーズに回すためには、PWM周期は短い方が良いです。

ただし、PWM周期を短くするデメリットもあります。

ソフトウェア負荷が増える
高周波音が発生する

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Raspberry PiでPWM制御する方法

ハードウェアPWMとソフトウェアPWM

Raspberry PiではPWMを行う方法は2つあります。ハードウェアPWMとソフトウェアPWMです。

ハードウェアPWMは、前述のソフトウェア負荷が増えるデメリットが発生しません。しかし、ハードウェアPWMが出来るGPIOは限られています。GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19の4つです。この内、GPIO12とGPIO18、GPIO18とGPIO19は連動し、独立に制御できるGPIOは2つまでです。

Channel 0: GPIO 12、 GPIO 18
Channel 1: GPIO 13、 GPIO 19

ソフトウェアPWMはすべてのGPIOで実行できます。

RPi.GPIOモジュールを使えばソフトウェアPWMが簡単にプログラミングできる

Raspberry Piでは、簡単にPWM制御を実装出来るRPi.GPIOというモジュールがあります。今回の記事では、RPi.GPIOを使ってPWM制御を行っていきます。

しかし、残念なことにRPi.GPIOはハードウェアPWMをサポートしていません。今回はソフトウェアPWMのみの解説です。

Note that the current release does not support SPI, I2C, hardware PWM or serial functionality on the RPi yet.
https://pypi.org/project/RPi.GPIO/

RPi.GPIOの使い方は↓の記事で解説していますので、今回はPWM制御部のみの解説になります。

PWMインスタンスの生成

p = GPIO.PWM(channel, frequency)

クラス内の関数を実行するためにPWMインスタンスを生成します。

第1引数のchannelは、PWM制御したいGPIO端子番号を指定します。BCM番号を指定するかGPIO番号を指定するかは、GPIO.setmode()での設定次第になります。PWMインスタンスを生成した後は、p.の後に関数名を指定することで、指定した関数が実行できます。

第2引数のfrequencyはPWM周波数で、単位は[Hz]です。PWM周期[s]は、1/frequencyになります。

PWM制御の開始

p.start(dc)

PWM制御を開始するにはp.start()を実行します。引数のdcはDuty比で、単位は[%]です。0～100%の範囲で指定してください。

PWM周期の変更

p.ChangeFrequency(frequency)

PWM周波数はPWMインスタンス生成時に設定しますが、p.ChangeFrequency()でPWM周波数を変更することができます。引数のfrequencyは変更するPWM周波数で、単位は[Hz]です。

Duty比の変更

p.ChangeDutyCycle(dc)

p.ChangeDutyCycle()でPWM開始中でもDuty比を変更することができます。引数のdcは変更するDuty比で、単位は[%]です。

PWM制御を停止

p.stop()

PWM制御を停止する場合には、p.stop()を実行します。

実際にプログラミングしてみよう！

準備したもの

Raspberry Pi Zero WH
DCモーター
モータードライバ TA7291P
ブレッドボード
ジャンパワイヤオス-メス
電池ボックス
単三電池 × 2

回路図

こちらが回路構成となります。

端子記号	端子説明	接続先
Vcc	ロジック側電源端子	Raspberry Pi +5V端子
Vs	出力側電源端子	電池＋極
Vref	制御電源端子	電池＋極 (3kΩ以上の保護抵抗を介す)
GND	GND	Raspberry Pi GND ＆電池ー極
IN1	入力端子1	Raspberry Pi GPIO 27
IN2	入力端子2	Raspberry Pi GPIO 22
OUT1	出力端子1	モーター＋極
OUT2	出力端子2	モーターー極

モータードライバICへPWM信号を入力する

モータードライバIC TA7291Pでモーターを駆動するには、2つの電圧信号が必要です。PWM信号は下表のように入力することでモーターの回転速度を変化できます。

IN1(GPIO 27)	IN2(GPIO 22)	モード
0	0	ストップ
PWM	0	正転
0	PWM	逆転
1	1	ブレーキ

長らく電子工作で愛用されてきたTA7291Pが生産停止になりました。TA7291Pの代替として、DRV8835などがあります。モータードライバICが変わると端子配列や指令方法は異なりますが、Hブリッジ回路の仕組みが分かっていれば、使い方は基本的に同じです。

サンプルプログラム

Duty比 80%、PWM周波数 50Hzでモーターを駆動するサンプルプログラムを紹介します。「e」キーを押すとモーターが正転、「d」キーを押すと逆転、「q」キーを押すと停止するようにしました。

import RPi.GPIO as GPIO
import sys

duty = 80

#GPIO初期設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(27, GPIO.OUT)
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)

p1 = GPIO.PWM(27, 50) #50Hz
p2 = GPIO.PWM(22, 50) #50Hz
            
p1.start(0)
p2.start(0)

try:
    while True:
        #「e」キーが押されたら前進
        c = sys.stdin.read(1)
        if c == 'e':
            p1.ChangeDutyCycle(duty)
            p2.ChangeDutyCycle(0)
              
        #「d」キーが押されたら後退
        if c == 'd':
            p1.ChangeDutyCycle(0)
            p2.ChangeDutyCycle(duty)

        #「q」キーが押されたら止まる
        if c == 'q':
            p1.ChangeDutyCycle(0)
            p2.ChangeDutyCycle(0)

except KeyboardInterrupt:
    pass

GPIO.cleanup()