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．

ピン

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