モータを回す

今回，２つモータを使ってライントレースロボットを走らせます．

回路

PB-6,7で左のモータ，PB-0,1で右のモータを制御します．停止，正転，逆転，が可能です．

PWMで速度を変更できるようになっています．PD-5,6がPWM用のピンになってます．これがOFFの時は電流が流れません．

モータドライバ

モータドライバは２本の信号で制御します．

IN1	IN2	動作
0	0	停止
1	0	正転
0	1	逆転
1	1	ブレーキ

ピン

AVR	モータドライバ
PB7	左 IN1
PB6	左 IN2
PD5	左 PWM
PB0	右 IN1
PB1	右 IN2
PD6	右 PWM

マクロ

ビットの操作が面倒くさいのでマクロを定義しておきましょう．ビット演算の意味は，C言語入門のビット演算あたりを参照してください．

#define R_OFF (PORTB &= ~0x03)
#define R_FWD (PORTB &= ~0x02 , PORTB |= 0x01)
#define R_REV (PORTB &= ~0x01 , PORTB |= 0x02)
#define R_STOP (PORTB |= 0x3)

#define L_OFF (PORTB &= ~0xC0)
#define L_FWD (PORTB &= ~0x80 , PORTB |= 0x40)
#define L_REV (PORTB &= ~0x40 , PORTB |= 0x80)
#define L_STOP (PORTB |= 0xC0)

これで，R_FWD;やR_REV;と書くだけで，モータの回転を制御できます．これは一例ですので，配線やロボットの作りにあわせて回転方向やモータの左右は修正してください．

プログラム例1

まずは速度の調節等は気にせずモータを回してみましょう．先ほどのマクロを使って書いてみます．

#include <avr/io.h>

#define R_OFF (PORTB &= ~0x03)
#define R_FWD (PORTB &= ~0x02 , PORTB |= 0x01)
#define R_REV (PORTB &= ~0x01 , PORTB |= 0x02)
#define R_STOP (PORTB |= 0x3)

#define L_OFF (PORTB &= ~0xC0)
#define L_FWD (PORTB &= ~0x40 , PORTB |= 0x80)
#define L_REV (PORTB &= ~0x80 , PORTB |= 0x40)
#define L_STOP (PORTB |= 0xC0)


// 指定された時間だけ待つ
void wait(uint16_t w){
    while(w--){
        volatile uint16_t i=200;
        while(i--);
    }
}

int main()
{
    DDRB = 0xFF;
    DDRC = 0x00; // ボタン
    DDRD = 0xFF;
    PORTC |= 3; // プルアップON
    PORTD = 0x60;

    wait(100);  // 少し待つ
    while(PINC&1); // ボタンが押されるまで待つ

    // 前進
    R_FWD;
    L_FWD;
    wait(1000);

    // 後進
    R_REV;
    L_REV;
    wait(1000);

    // 右回転
    R_REV;
    L_FWD;
    wait(500);

    // 左回転
    R_FWD;
    L_REV;
    wait(800);

    // 停止
    R_STOP;
    L_STOP;
    for(;;);
}

PWM

前の例では，モータをON/OFFできましたが，速度を調節することはできませんでした．そこで，「PWM」の出番です．普通に「ピー・ダブリュー・エム」と読みます．

PWMというのはパルス幅変調(Pulse Width Modulation)と言って，高速に電圧をON/OFFを繰り返すことによって，速度を調節できます．簡単に言えば，少し進んで，少し停止を繰り返せば，思った速度で動かせるということです．モータの回転速度は，変化するのに少し時間がかかるので，実際には滑らかに動きます．

ONの時間とOFFの時間の比のことを，デューティ比と呼び，ずっとONの状態がデューティー比が100%の状態です．

AVRでPWM

今回使う，AVRにはPWMの波形を生成する機能があります．そこで，レジスタを適切に設定すればPWMが簡単に出来ます．

今回使うレジスタは，TCNT0，OCR0A，TCCR0A，TCCR0Bの4つです．詳しい使い方はAVRのデータシートを参照してください．

PWMというのは一定周期でON/OFFを繰り返すので，普通，マイコンのPWMの機能はタイマーの機能の一部として実装されています．

カウンタの値がOCR0A(もしくはOCR0B)よりも小さいときは「1」で大きくなると「0」になります．つまり，OCR0xの値に比例して，出力が「1」に成っている時間の割合が増えます．今回使うカウンタは8ビットなので，2^8-1 = 255が最大となります．

他にも幾つか設定があって，「0」と「1」の関係を逆にしたり，周期を変更したりすることも出来ます．

プログラム例2

#include <avr/io.h>

#define R_OFF (PORTB &= ~0x03)
#define R_FWD (PORTB &= ~0x02 , PORTB |= 0x01)
#define R_REV (PORTB &= ~0x01 , PORTB |= 0x02)
#define R_STOP (PORTB |= 0x3)
#define R_DUTY OCR0A

#define L_OFF (PORTB &= ~0xC0)
#define L_FWD (PORTB &= ~0x40 , PORTB |= 0x80)
#define L_REV (PORTB &= ~0x80 , PORTB |= 0x40)
#define L_STOP (PORTB |= 0xC0)
#define L_DUTY OCR0B


// 指定された時間だけ待つ
void wait(uint16_t w){
    while(w--){
        volatile uint16_t i=200;
        while(i--);
    }
}

void pwm_init(void){
    //timer start
    TCNT0 = 0x00; //カウンタ初期化
    TCCR0A  = (1<<COM0A1) | (1<<COM0B1);
    TCCR0A |= (1<<WGM00); //位相基準PWM
    TCCR0B  = (1<<CS00); //前置分周無し
}


int main()
{
    DDRB = 0xFF;
    DDRC = 0x00; // ボタン
    DDRD = 0xFF;
    PORTC |= 3; // プルアップON
    pwm_init();

    wait(100);  // 少し待つ
    while(PINC&1); // ボタンが押されるまで待つ

    // 前進
    R_DUTY=0x40;
    L_DUTY=0x40;
    R_FWD;
    L_FWD;


    wait(1000);

    R_DUTY=0x80;
    L_DUTY=0x80;

    wait(1000);


    // 後進
    R_DUTY=0xFF;
    L_DUTY=0xFF;
    R_REV;
    L_REV;
    wait(1000);


    // 停止
    R_STOP;
    L_STOP;
    for(;;);
}

PWMの周波数

PWMをON/OFFする周期は，どれくらいにするべきでしょうか？あまりに遅すぎると，モータが振動して音を出したり，速すぎると回路が追いつかなかったりします．

最適な周波数は，モータや回路の時定数から計算できますが，大抵は数十kHzにしておけば問題無いでしょう．

今回は，８ビットのカウンタを前置分周なしで使っています．AVRは8MHzで動いているので，8000000/256 = 31250となって，大体30KHzですね．

この文書の履歴

• 2006-07-13 作成
• 2006-07-14 説明を少し追加
• 2006-08-05 PWMについて追記