PIC とモーターの駆動制御

とモーターの駆動制御
＜ディジタル制御と１チップマイコン＞
現在，私たちが使用している多くの電化製品や機械・器具などに，電子制御用の１チップマイコンワンチップマイ
クロコンピュータと呼ばれる集積回路が使われている．これはパーソナルコンピュータの全ての機能を１から３ほどの大きさの集積回路で実現したものである．形状は正方形あるいは長方形の板状でその下面から多数の足が出て
いる図．１チップマイコンは，プログラム命令に従って，計算や環境に応じた条件判断を行い，スイッチを入
れたり，切ったりして機器を制御している．例えば，エアコン暖房では，
部屋の温度を調べる入力
部屋の温度と設定温度を比較する判断
設定温度以上であれば暖房を止めて，設定温度以下であれば再開する出力
基本的には ∼ を繰り返して部屋の温度を一定に保とうとしている．これ以外でも，１チップマイコンは炊飯器
や冷蔵庫など電化製品だけでなく，工作機械や工業製品の中にも内蔵されている．
図チップマイコン
機械を１チップマイコンで制御を行うためには，機械の運転状況を知るための入力装置やセンサーが必要であり，そ
れらには
スイッチ
温度センサー熱電対・赤外線センサー・超音波センサー・電磁波センサー光センサー
圧力センサーマイクロフォン・ひずみゲージ
イオン濃度計・ガス濃度計
リニアエンコーダ・ポテンショメータ
加速度センサー
など列挙しきれないほどの種類のセンサー類がある．１チップマイコンはほとんどの処理をデジタルで行うので，入
力装置からのアナログ信号を変換によりデジタル信号に変換することが多い．
また，入力情報を処理して，制御を実現するための出力装置にも数多くの装置があり，それらは
スイッチの接続と切断リレー回路
サーボモーター・モーター・その他のモーター
光源・電磁波発生装置
音源
などがある．多くの場合，１チップマイコンはの電圧との電圧の２種類の電圧を出力することによ
り，機器を制御する．このような信号はレベルあるいは信号などと呼ばれる．このようなデジタル信号
をアナログ信号に変換するときは，変換を行う．
＜１チップマイコン＞
いわゆるマイコンはチップシングルチップとマルチチップに分類される．チップシングルチップマイコン
はなどの周辺回路チップが内蔵されてつのデバイスとして完成されているものである．それに対しマルチチッ
プマイコンはチップとして独立したものに必要なデバイスやカウンターデバイスなどの
周辺デバイスを追加してシステムを構築するものである．
チップマイコンは多くの会社からそれぞれ発売されており，代表的なものにビット，マイクロチップ・テ
クノロジー社， ! "! # $% &，' ビット，ルネサステクノロジ (日立)，
ビット，*+，
, ビット，アトメル，"#
などがある．マルチチップの代表には - ビット，ザイログ社，-# $ がある．
１チップは個のデバイスでシステムが完成するのでコンパクトになる．ただし，使用できるメモリーが少ないので
大掛かりなものは不向きである．それに対し，マルチチップは周辺デバイスを自由に設計できるので拡張性は高くな
る．また，∼ 年前のパーソナルコンピュータの多くには - が使われていた．
＜言語と整数のビット表現＞
英数文字・整数のビット表現
コンピュータの内部 ,./ などで英数文字や整数・実数などのデータを記憶したり，記録したりす
るためには，電気素子の電圧や磁気の状態の違いを利用している．ほとんどのコンピュータでは，つの異なる状態
を使ってデータを表しており，それらを模式的に電圧が低い， 0 などと電圧が高い，などで表現する．
このように，使用できる数字がつのときは，データを進数で考えると便利である．
進数では，
と表すと，
1 2 2 &
を意味する．一方，進数でと表せば，
1 2
2
2
&
となって，進数のを表している．すなわち，進数の番下の桁がのときはを表し，番目の桁のはを
表しており，右から番目の桁のはを表している．また，それぞれの桁をビット 3 と呼ぶ．
コンピュータでは，しばしば進数の桁を個づつひとまとめに数えることが多く，個のビット 34 をバ
イト 3%" という．たとえば，は進数で 5 となるが，進数でバイトの数を表すと大きな数に
なるので，ビットずつ区切って，として，ビットずつつに分けて表す．このとき，
1 2 6
&
となって，進表現を使うことになる．これを 1 6 1 5 のように，英文字から 7 までをから
までの数字の代わりに使用する．すなわち， 1 ， 1 8 ， 1 ， 1 ， 1 + ，
1 7 と
する．また，進数 86 を 986 のように，進数字の前に 9 をつけて進数であることを表現することもある．
英数字の内部表現
では英数字をバイトで表現する．それぞれの英数字は第章の表 & のアスキーコード表で進数と英数字の
対応が表されている．たとえば，英字 :: はこの表の第列第１行にあるので，9 となる．すなわち，列は進
数の第桁目を表し，行数は第桁目を表す．同様に，:;: は 9 であり，小文字はそれに対応する大文字よりも進数でだけ大きな数に対応している．第列目と第列目は英数字では表すことのできない特殊文字であり，周辺
機器の制御やデータの特殊な意味に使用する．たとえば，977 + はコンピュータができた初期の頃には，文
字消すことを意味するために用いられた．は改行の意味で使用してきたが，アスキーコードでは 9< である．ま
た，はヌル ## と呼ばれて，文字列の終わりを表すのに用いる．
整数の内部表現
ここでは，バイトビットの整数 4! 型の内部表現について見てみよう．4! 型整数を表すビットの
内の最上位ビット左端，右から数えて桁目は正負の符号を表すのに用いられており，このビットがのときは
正の整数を示し，のときは負を表す．
正の整数を考えると，最上位ビットはであり，残りのビットがその絶対値を表す．絶対値は通常の進数表現
と同じで，例えば，正の数は
1 9
&
と表される．したがって，4! 型の整数の最大値は
1 95777 1 55
&
である．
負の整数は最上位ビットがである．残りビットについて，をすべてに，をすべてに変更ビット反転，
の補数表現という
したのち，を加えたものが負の整数の絶対値を表す．たとえば，
1 977
&
1 96 1 &5
はビット反転すると，
となるので，これにを加え，負号
を付けて，5 である．したがって，4!
型整数の最小値は
1 9
&
であり，ビット反転したのちにを加えて，負号を付けると， 5 であることがわかる．
ビット表現のまとめ
コンピュータの内部では情報をとで表しており，この情報を１ビットという．このとの情報によって +
に流れる電流のまたは 0 を制御する．
図２進数，１０進数，１６進数対応表
図 =
図 = 配線図
＜＞
とは，アメリカのマイクロチップ社が開発したワンチップマイコンである．この中には演算機能のほかにプログ
ラム格納用のメモリ，タイマ，アナログ入力やシリアル通信などの周辺モジュールもすべて内蔵されている．=
.;" /
はにいくつかの基本的な周辺部品を取り付けたキットであり，の動作を確認するための学習
教材であるが，実用的に使用することもできる図．このキットはコンピュータの .8 端子で接続することによ
り，へプログラムを転送することができ，，，，，<4 など大部分のマイコ
ンファミリに対応している．
この = .;" / には 76 が組み込まれたデモボードが付属しており，回路図は図４のようになっ
ている．端子 ,> ,> ,> , にはそれぞれ赤色 + .> .> .> . が接続されており，各ポートか
ら出力を行えば対応した + が点灯する．次のプログラム例１は，,
, に対応した + を点灯させるもの
である．
プログラム例１
行目
行目
クロック数を指定
行目 !"#$"!" % &''"( % )&'"( % *'"( % +!) % , '"( % "( '"( % *'"(-.
行目
/ 行目0 123
$0 04
-. プロトタイプ宣言
5 行目
6 行目メインプログラム
7 行目0 41$-8
9 行目
0 04
:.
43
;04
:待機時間
行目 ) : <. ) を初期化
行目 "( : <. ) を全て出力に設定
行目 =
$ -8 ずっと繰り返す
行目 ) :< .
' '( 点灯
行目 123
$04
-.
04
43
の間状態を維持
/ 行目 ) :<.
' '( > '( 点灯
5 行目 123
$04
-.
04
43
の間状態を維持
6 行目 ) :<6.
' '( > '(> '( 点灯
7 行目 123
$04
-.
04
43
の間状態を維持
9 行目 ) :<1.
' '( > '(> '(> '( 点灯
行目
123
$04
-.
04
43
の間状態を維持
行目 ?
行目
@
0@ .
行目 ?
行目 04
43
待機サブルーチン
/ 行目0 123
$0 04
-8
5 行目 0 .
6 行目 A@$:.:04
.BB-8
7 行目 123
$04
-.
04
43
の間状態を維持
9 行目 1243$ -.
行目 ?
行目
@
0@ .
行目 ?
の内部にはレジスタと呼ばれるメモリ領域が存在し，はここに記録されている値をもとにして動作を行う．
数あるレジスタにはそれぞれに役割が定められており，これらはデータシートにすべて記載されている．たとえば，
76 の ,
というレジスタはデータシートに次のように記載されている．
,+?.+, @6 , & , ,+?.+, ,+.. 5! , 5!
,5
,
,
,
,
,
,
,
C0 6 C0 C0 6D 6 ) #
@1 )@A3
" ) C03
: )A@0 3 E"F
: )A@0 3 E"
これは , という 3 のレジスタの 3 ごとの役割を示したものであり，, の 3 が，3 がを
表していることがわかる．また，,. は , の出力入力を指定するレジスタである．
上のプログラム例１ではまず第行目で ,19 により 1 1 を代入し，１つ目のビット，つまり
, を * にしている．これにより , に対応する +（.>
最も左）が点灯する．次に第行目で ,19
により 1 1 を代入し，同様に , と , が *，対応する左から１番目と２番目の + .> . が
点灯する．その後 5 行目で 1 5 1 5 を代入し，,> ,> , が *，対応する左から１番目，２番目，３
番目の + .> .> . が点灯する．6 行目では 1 1 を代入しているので，左から２番目と４番
目の + .> . が点灯する．その後，最初に戻り，再び左から１番目の + が点灯する．これをいつまでも
繰り返す．
なお 123
$0- は，（4"）のディレイ（処理の停止）を & 秒単位で行うことができる関数である．
123
とした場合，プログラムはここで & 秒間停止する．
課題１それぞれの学籍番号の下桁を桁ごとに二進数表現し，∼ に対応する + の点灯で順に表示し繰り返
すプログラムを作成せよ．
例：学籍番号下桁がの場合，
1 なので初めにとを点灯，次にとを点灯，全て消灯，を点灯とすること．
＜モータの制御＞
図に示す集積回路 56 は，株東芝製のモータ用フルブリッジドライバである．フルブリッジドライ
バとは，正・逆切り替えドライバのことをいう．56 には本の端子があり，それぞれの役割は次に示す通り
である．
図 56 の外観
端子 !A 端子記号
/
#!'
+
!
E@
"!
説明
#!'
出力端子
!
制御電源端子
入力端子
5
6
7
9
"!
E
E3
!
+
入力端子ロジック側電源端子
出力側電源端子
!
出力端子 56 を使用した入力
出力
"!
"! +
∞
F
モータの正転・逆転切り替えは端子 * &
，への入力を次のように操作することで行う．
モード
+
∞
ストップ
F
&&
&&
ブレーキ
すなわち，入力端子への入力を片方ずつとすることでモータの正転・逆転切り替えが可能となる．56 は
制御電源端子を使用してモータへの印加電圧を調整することも可能である．ただし，制御側電圧および出力側電圧は
の範囲にあり，出力側電圧≧制御側電圧である必要がある．また，ロジック側電圧は &
の範囲でなけ
ればならない．
＜フォトインタラプタ＞
図 ; に示す部品は，.', 製のフォトインタラプタ型番?. である．フォトインタラプタとは発光部か
らの光が対向する受光部で検出されるか否かによって，障害物の有無や位置を判定する光学センサの一種である．通
常，発光部には赤外線発光ダイオード，受光部にはフォトトランジスタが用いられる． ?. には本の端子があ
り，図 3 に示すようにそれぞれ発光ダイオードのアノードとカソード /，フォトトランジスタのエミッタ +
とコレクタの役割をもつ．
フォトインタラプタの使用方法の一例を図に示す．図中のは正の電源電圧，, , は電流調整用の抵抗，
はセンサの出力を表す．図の場合，隙間 . に障害物があるとき発光ダイオードの光が障害物によって遮
られるのでフォトトランジスタに電流が流れない．このときでの出力電圧がに近くなる．隙間 . に障害
物がないとき電流はフォトトランジスタに流れるので，での電圧がに近くなる．発光部からの光がどれだけ
遮られるかによってでの電圧は連続的に変化する．
Vcc
Vcc
RD
A
E
K
C
RL
Output
S
図フォトインタラプタ ?.． ; 写真， 3 フォトインタラプタの構造の概略図，使用例&
5
＜入力信号処理とモータ制御プログラム＞
モータの正転・逆転を制御するプログラムを以下に示す．= .;" = 付属のデモボードに組み込まれ
た 76 に本プログラムを入力し，56 を介してモータへ接続することで制御する．ただし，関数
<"#;% 4 のに一定以上の時間を指定するとエラーが生じるためコンパイルできない．そこで，<"#;% 4 を "
繰り返すサブルーチンを用いることで任意の時間だけ次の動作まで待つことを可能にしている．
入力信号処理とモータ制御プログラム
行目
行目
*FG
行目 !"#$"!" % &''"(% )&'"( % *'"( % +!) % , '"( % "( '"( % *'"(-.
行目0 123
$0 04
-.
/ 行目HA 41$HA-8
5 行目
3I
1@ 1I : .
6 行目
"( : C . / を出力ポートに設定
7 行目
"( : C . を出力ポートに設定
9 行目
) : C. ポートを初期化
行目
) : C . 正転
行目
=
$ -8
行目
$ :: %% 1I :: -8
行目
) : C.
行目
123
$ -.
/ 行目
) : C .逆転
5 行目
1I : .
6 行目
?
3
$/ :: %% 1I :: -8
7 行目
) : C.
9 行目
123
$ -.
行目
) : C .正転
行目
1I : .
行目
?
3
$ :: %% / :: -8
行目
1I : .
?
行目
/ 行目
?
5 行目?
6 行目0 123
$0 04
-8
7 行目
0 .
A@$:.:04
.BB-8
9 行目
行目
1243$ -.
行目
?
行目
@
0@ .
行目?
＜センサからの信号処理とモータ制御を行う回路＞
56 を用いたモータ制御基盤の回路図を図 5 ;
に示す．回路図 5 ; 中の三角形の記号は反転シュミットトリ
ガ回路と呼ばれ，ここでは図 5 3 右側のようにオペアンプ * を用いて実現した．入力電圧が基準
電圧 "A と比較して大きければB CB，小さければB'$!Bを出力する．つまりセンサからのアナログ信号をが
扱うことのできるデジタル信号に変換する回路である．制御基板 ##" と = デモボード =
<"
3 ;< を図に示すように接続する．図中のデモボード上の白い数字は制御基板からの端子を挿す汎用のコネクタ番号を示す．コネクタ番号は図にもとづく．制御基板上のスイッチにより動作開始および停止を制御す
る．センサ部の回路は図と同じである．
M1
M2
2
10
TA7291P
1
3 4 5 6 7 8 9
IN1
Vcc
IN2
R1
Switch
+V
Vcc
E
GND
OUT1
S1
OUT2
S2
Vin
Vout
R2
Vref
Vin
Vout
R3
図 5 モータ制御回路． ; モータドライバ 56 を含む回路， 3 反転シュミットトリガ回路&
図制御基板接続例
6
参考文献
()
水島二郎，横山直人，手続き型プログラミング言語 ()
後閑哲也，言語によるプログラミング入門
6，学術図書出版．
，技術論評社．

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