行け!! マイクロマウス！ ステッピングモーターで前進だ：マイクロマウスで始める組み込み開発入門（12）（1/3 ページ）

市販の組み立てキットを利用して、「マイクロマウス」の開発を進める北上くんとえみちゃん。サンプルのソースコードに頼らず、オリジナルプログラムでマイクロマウスを走らせようと奮闘中だ。今回は、いよいよモーター制御に取り掛かる!!

[三月兎，MONOist]

前回までのあらすじ

　組み込み技術者に要求される要素が“ギュッ”と詰まった「マイクロマウス」。北上くんと新入社員のえみちゃんは、スキルアップを兼ねてマイクロマウスを開発中です。これまで、えみちゃんは北上くんの指導を受けながら、LEDやブザーの制御、A/D変換、シリアル通信といったマイコン制御の基礎を学んできました（前回の記事へ）。

本連載の登場人物

北上 篤人（きたがみ あつと）

26歳、男性。次期プロジェクトリーダーとして期待されている（と、本人は思っている）。専門は、ソフトウェア開発。電気回路やハードウェアに苦手意識を持っていて、いつか克服したいと考えている。

物江 えみ（ものえ えみ）

22歳、女性。この4月に入社したばかりの新入社員。C言語は大学の授業で学んだ程度なので、仕事についていけるかどうか不安を抱えている。性格は明るく、好奇心旺盛。早く一人前になりたいという強い熱意を持っている（ようだ）。

ステッピングモーターの原理

――ピンポーン！（チャイムの音）

こんにちはー!!

やぁ、えみちゃん。

センパイ、今日は「モーター」を回すんですよね！

うん。マイクロマウスを「前進」「停止」「旋回」させるプログラムを作っていくよ。

やっと、ここまできたーって感じがしますね。

ワタシ、マイクロマウスがちゃんと走るか、今からドキドキしてますよぉ〜。

実際にモーターを制御するプログラムを組んでみると、「階層構造化って便利だな〜」ってあらためて実感できると思うよ！

そうなんですかぁ〜。楽しみです!!

よし！ じゃあ、始めようか。

　「モーター」といっても、さまざまな種類があります。「ACモーター」「DCモーター」「ギアドモーター」「超音波モーター」「サーボモーター」「ステッピングモーター」など……。サイズも携帯電話機に内蔵されている小さなものから、エレベーターを動かす巨大なものまで大小さまざまです。これだけの種類とサイズがあるのは、モーターが私たちの生活になくてはならないものだからです。ちなみに、高級自動車には100個以上のモーターが搭載されているそうです。目に見えないところで、たくさんのモーターが動いているのですね。

　それぞれのモーターには特徴があり、用途に応じて使い分けられています。マイクロマウス競技会でも30年以上ある歴史の中で、使用されるモーターが時代とともに移り変わってきました。

　現在は、エンコーダー付きのDCモーターが容易に入手できるようになりましたので、マイクロマウス競技のトップレベルにいる参加者たちは、DCモーターを採用しています。DCモーターには、小型・軽量で起動トルクが大きいという利点があります。しかし、加速にはPWM（Pulse Width Modulation）制御が必須です。また、正確な距離を走らせるにはエンコーダーも必要になるため、初心者が扱うにはハードルが高いかもしれません。

　本稿で使用しているマイクロマウスの市販組み立てキット「Pi:Co Classic」に搭載されているのは、ステッピングモーターです。ステッピングモーターは、回転速度と移動距離をプログラムで指示できるので、初心者にも扱いやすいのが利点です。

　プログラミングの解説に入る前に、ステッピングモーターの動作原理を簡単に紹介しておきます。

　ステッピングモーターは、電源を接続するだけでは回転しません。モーターを駆動させるためには、回転速度や回転角度を決めるパルスを発信し、モーターの巻き線に流す電流を順次切り替える駆動回路が必要です。Pi:Co Classicでは、この駆動回路部分にモータードライバICを使っています。

　画像1は、ステッピングモーターの内部構造のイメージ図です。ステータ（固定子）のコイルに電流を流して磁界を発生させ（これを「励磁（れいじ）」という）、永久磁石のロータ（回転子）を回転させます。ステータに電流を流す順番のことを「励磁方式」と呼びます。励磁方式は、1相、2相、1-2相励磁などがあります（表1）。Pi:Co Classicは、回路設計により1-2相励磁に設定されています。

画像1　ステッピングモーターの内部構造イメージ図

表1　励磁方式により、ステップの角度が変わる。本稿では1-2相励磁を扱う【※画像クリックで拡大表示】

　今回は、ステッピングモーターを回して、マイクロマウスを「前進」「停止」「旋回」させるプログラムを作成します。画像1のように、ステッピングモーターは、1ステップごとしか動きません。間断なくパルスを出力しているので、モーターが連続して回っているように見えるわけです。1ステップでどれだけ進むかが確定しているので、迷路の1区画（180mm）を正確に走らせることができます。

　パルスはMTUから出力され、出力間隔を短くするとスピードが上がります。パルスを出力した回数をカウントするには、MTUの割り込みを使います。

　Pi:Co Classicに搭載されているステッピングモーター（KH39EM-801）のデータシートを読むと、標準仕様のステップ角は1.8度になっています。1-2層励磁で使用しているため、1ステップは0.9度になります。タイヤの直径が48mm、トレッド幅が64mm、迷路1区画の長さは180mmです。これらの物理データから、Pi:Co Classicが迷路内を走行し、旋回するために必要なパラメータが計算で求まります（ソースコード1）。

//Pi:Co Classicの物理的なパラメータ
#define TIRE_DIAMETER   48.0                    //タイヤの直径（mm）＝48.0mm
#define TIRE_CIRCUIT    (PI * TIRE_DIAMETER)    //タイヤの円周（mm）≒150.80mm
#define TREAD_WIDTH     64.0                    //トレッド幅（mm）＝64.0mm
#define TREAD_CIRCUIT   (TREAD_WIDTH * PI)      //360度旋回時にタイヤが動く距離（mm）≒201.06mm
#define    STEP_DEGREE  (1.8 / 2.0)             //ステッピングモーター（1-2相励磁）のステップ角（度/step）
#define    STEP_LENGTH        (TIRE_CIRCUIT * STEP_DEGREE / 360.0)
                                                //1ステップで進む距離（mm）≒0.377mm
//迷路のパラメータ
#define    BLOCK_LENGTH  180.0                  //1区画＝180mm
//定数定義
#define    PI            3.14159265358979       //円周率π
//モーターMTU発振数
#define MTU_MTR_CLOCK    6000000                //モーター用MTUの発振数

ソースコード1　Pi:Co Classicが迷路内を走行するための物理的パラメータ（「Ctrl.h」に記述する）

　マイクロマウスに搭載されているステッピングモーターの仕組みと、物理パラメータを理解したところで、いつものように、プログラミングに必要な情報をデータシートでチェックしておきましょう（表2、画像2、画像3）。

表2　基板ポート一覧（※Pi:Co Classic 取扱説明書_ver1.08.pdfより抜粋）

画像2　STK-7125回路図のモータードライバ部分

画像3　モータードライバ回路【※画像クリックで拡大表示】

　PB5に励磁のON/OFFを出力。PE10とPE9にはCW/CCW（モーターの正転/逆転）が、PE12とPE8にはMTUからのパルスが出力されます。

	参考記事：
⇒	ステッピングモーターの仕組みと制御のコツ

自動車に100個もモーターが入ってるんですねぇ〜。知りませんでしたよ。

えーと、ワイパーとパワーウィンドウと……。う〜ん、100個も思い付かないや（テヘッ）。

……。

ちなみにケータイの場合、どこに使われているか分かる？

ケータイですか!? え〜と……。

ほら、ブルブル震えることがあるでしょ！

あっ、マナーモード!?

そう！ あれは、小型の振動モーターを使っているんだ。

シャフトの先端に重心をずらした重りを取り付けて、振動を発生させているんだよ。

へぇ〜、モーターにもいろいろな使い方があるんですね。

うん。普通はモーターの振動を抑える工夫をするんだけど、それを逆手に取ったアイデアといえるね。

面白〜い。組み込みに興味を持つと世の中が変わって見えますね！

そうだね〜。

じゃあ、そろそろステッピングモーターを動かすプログラムを書いてみようか！

はいっ！