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1. やってみたいこと

Raspberry Piのハードウェア PWMを使ってサーボモーターを廻してみたい。

2. ハードPWM vs ソフトPWM

(1) ハードPWM

PWMコントローラ（＝PWM専用のH/W）で制御するため、指定したパルス幅を安定して維持できる。

(2) ソフトPWM

CPUで制御するため、CPUが高負荷状態のときに PWM周波数が狂ったりパルス幅が広がったりする。

(3) どちらがよいのか？

目的に応じて使い分ければよい。

LED点灯の明るさを PWMで制御する場合、多少パルス幅がぶれても人の目にはよくわからない。
サーボモーターを PWMで制御する場合、パルス幅が一定でないと回転角度が小刻みにぶれてしまう。

3. パーツを調達

(1) モーターを購入

秋月さんで一番安いサーボモーターを購入した。

(2) モーターの仕様

このモーターの仕様は以下の通り。

https://akizukidenshi.com/goodsaffix/SG90_a.pdf

まとめると以下の通り。
・周波数 : 50Hz（1周期が 20ms）
・Duty Cycle 0.50ms : －９０度回転
・Duty Cycle 1.45ms : 　　０度回転
・Duty Cycle 2.40ms : ＋９０度回転
・電圧 : 4.8V ～ 5V
・回転速度 : 0.1s / 60度

4. 設計

(1) GPIOはどう使う？

ラズパイ公式ページの情報によれば、ハードPWMを使いたければ GPIO12,13,18,19を使えと記載されている。

https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/README.md

なので…
今回は GPIO12 をサーボモーター制御のための PWM信号線として使う。

でも…
GPIO12の電圧は 3.3Vだ。
上記のモーターのデータシートには PWM信号線の電圧は 4.8V ～ 5Vと書いてあるがよいのか？

(2) モーターは別電源で駆動する。

消費電力の大きなモーターの電源をラズパイから取ると、ラズパイに大きな電流が流れて壊れてしまうかも…

この制限値はどこに書かれているのか？

公式ページでは見つけられなかったが、こちらのページ（↓）では
https://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals#Power_pins
・3.3Vのピンからは合計 50mA
・5Vのピンからは合計 1A からラズパイの動作に必要な分を引いた残りだけ
と書かれている。

50mAといったら LED x 3個しか繋げちゃダメってことか？

よくわからないので…
消費電力の大きなデバイスを駆動するときには、ラズパイとは別に電源を用意した方がよさそうだ。

今回はモーター駆動用に 5Vの電源を別に用意しよう。

5. 実装

・ラズパイとは別に、サーボモーター用に 5Vの電源を用意する。
・サーボモーターの GNDをラズパイ側の GNDに繋ぐ。（GNDの電位を共通にするため）

6. マイコンで制御してみる！

今回も (23) 【1-3】マイコンで電子工作入門：LED点滅と同じように RPi.GPIO を使用する。

(1) ターミナルを起動し、Python3を実行する。

python3

(2) 必要な Pythonモジュール（＝パッケージ）を読み込む。

import RPi.GPIO as GPIO

(3) GPIOを初期化する。

GPIO制御関数で制御対象のピンを指定する際に、ピン番号ではなく GPIO番号を指定することにする。
・ピン番号指定： GPIO.BOARD
・GPIO番号指定： GPIO.BCM

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO12を出力ポートとして使用する。

GPIO.setup(12, GPIO.OUT)

GPIO12を PWM（50Hz）として使用する。

pwm = GPIO.PWM(12, 50)
pwm.start(0)

(4) モーターを廻す。

0度

前述のモーターのデータシートに従えば、
・0度の Duty Cycleは 1.45ms
・周波数 50Hz（＝20ms）

なので、設定するパルス幅は…
1.45 / 20 = 7.25[%]

pwm.ChangeDutyCycle(7.25)

ここをホームポジションとして記憶する。

+90度

前述のモーターのデータシートに従えば
・+90度の Duty Cycleは 2.4ms
・周波数 50Hz（＝20ms）

なので、設定するパルス幅は…
2.4 / 20 = 12[%]

pwm.ChangeDutyCycle(12)

半時計周りに 90度回転した。

-90度

前述のモーターのデータシートに従えば、
・-90度の Duty Cycleは 0.5ms
・周波数 50Hz（＝20ms）

なので、設定するパルス幅は…
0.5 / 20 = 2.5[%]

pwm.ChangeDutyCycle(2.5)

時計周りに 180度回転した。

+45度

前述のモーターのデータシートに従えば、
・0度の Duty Cycleは 1.45ms
・+90度の Duty Cycleは 2.4ms
・周波数 50Hz（＝20ms）

なので、パルス幅は…
+45度の Duty Cycleは
(2.4 – 1.45) / 90 x 45 + 1.45 = 1.925[ms] ※リニアだとすれば

なので、設定するパルス幅は…
1.925 / 20 = 9.6[%]

pwm.ChangeDutyCycle(9.6)

確かに 45度の位置まで回転した。

(5) 終了処理

pwm.stop()
GPIO.cleanup()

問題発生！

意図した通り、確かにモーターは指定した角度に回転してくれた。

でも…

勝手に動く…

ビリビリと音を立てて振動したり、突然豪快に 180度回転したりする。
パルスの立ち上がりタイミングや幅など時間軸方向で乱れるジッタというやつか？

ToDo: ACアダプターが 5V 1.5Aの物を使用していた。電流値 2Aなどの大きな物に変更して試してみる。

回りすぎて振り切って戻ってこなくもなった。
モーターが動かなくなり「壊れたか…」と覚悟したが、これは無理やり手で回して復旧させた。

ひょっとしてソフトPWMで動いている？

RPi.GPIO.PWM(12, 50)

RPi.GPIOモジュールのこの使い方では、ハード PWM制御をしてくれていない？

オシロで PWM信号線を覗き見ると 20ms周期でパルスが流れ、パルス幅が乱れているようには見えない。
こんな状態でも不安定＆豪快に回転したりする。

・パルス幅が一定範囲からはみ出したとき、
・信号の立ち上がりのタイミングがずれたとき、
にトリガーをかけてオシロの表示を停止させてみたいが、できない…
ソフトPWMで本当におかしな信号を出力しているのか？が確認できない…

(5) ハードウェアPWMでモーターを廻す。【仕切り直し】

RPi.GPIOの中身を未確認だが、RPi.GPIO.PWM() はソフトPWMであることはほぼ間違いない。

そこで…
wiringpi でハード PWMが出来るという情報に辿り付き、これを試してみる。

Super Userで Pythonを起動する。

sudo python

Python Shellで以下を打ち込む。

import wiringpi

wiringpi.wiringPiSetupGpio()
wiringpi.pinMode(18, wiringpi.GPIO.PWM_OUTPUT)
wiringpi.pwmSetMode(wiringpi.GPIO.PWM_MODE_MS)
wiringpi.pwmSetRange(1024)
wiringpi.pwmSetClock(375)

wiringpi.pwmWrite(18, 74) # 0deg. (1024 x 7.25% = 74)

wiringpi.pwmWrite(18, 123) # +90deg. (1024 x 12% = 123)

wiringpi.pwmWrite(18, 26) # -90deg. (1024 x 2.5% = 26)

・PWM_MODE_MS : PWM周波数固定モードを選択する。参考情報
・pwmSetRange(1024) : Duty Cycle = 100% のときに 1024とする。
・pwmSetClock(375) : PWM周波数 = ラズパイ内蔵PWMコントローラの動作クロック周波数{19.2MHz} / (PWM信号の周波数{50Hz} x レンジ{1024})

今度はモーターがピタッと止まり、ビリビリしびれたような動きは全く見せない。
これがハード PWMの安定感だ。すばらしい！

(6) もし自分でちゃんと作りたければ…

ラズパイに搭載されているマイコンの仕様書を見て、PWMコントローラのドライバを自作する。（P.138 ～）

https://www.raspberrypi.org/app/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf

wiringpi の中ではこの制御をしているのだろうから、プログラムの中身を覗いて制御方法を理解するのもよい。

いつか余裕が出来たらやってみよう。

【7】Raspberry Pi 5での実装 (2024.11.23追記)

(1) 愚直に手動でPWM制御する場合

import lgpio
import time

SERVO_PIN = 12
chip = lgpio.gpiochip_open(0)
lgpio.gpio_claim_output(chip, SERVO_PIN)

# PWM信号を手動で生成
# - frequency  : PWM周波数（Hz）
# - duty_cycle : デューティサイクル（0〜100）
# - duration   : PWM信号を出力する時間（秒）
def generate_pwm(chip, pin, frequency, duty_cycle, duration):
    period    = 1.0 / frequency                # 周期（秒）
    high_time = period * (duty_cycle / 100.0)  # HIGHTの時間
    low_time  = period - high_time             # LOW  の時間
    
    end_time = time.time() + duration
    while time.time() < end_time:
        lgpio.gpio_write(chip, pin, 1); time.sleep(high_time)
        lgpio.gpio_write(chip, pin, 0); time.sleep(low_time)

# サーボモーターを指定した角度に移動
# - angle: 0〜180度の範囲で指定
def set_angle(angle):
    pulse_width = 0.5 + (angle / 180.0 * 1.9)  # 0度=0.5ms, 180度=2.4ms → 範囲は 1.9
    duty_cycle  = (pulse_width / 20.0) * 100   # 周波数50Hz（周期20ms）
    print(f"(PW, DC) = (%.3f, %.3f)" % (pulse_width, duty_cycle))
    generate_pwm(chip, SERVO_PIN, 50, duty_cycle, 0.5)  # 50HzでPWM生成

try:
    while True:
        print("0度に移動")
        set_angle(0)
        time.sleep(1)
        
        print("90度に移動")
        set_angle(90)
        time.sleep(1)
        
        print("180度に移動")
        set_angle(180)
        time.sleep(1)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("終了します")

finally:
    lgpio.gpiochip_close(chip)

(2) gpiozeroパッケージのPWM制御クラスを利用する場合

from gpiozero import PWMOutputDevice
from time import sleep

# GPIO12をPWMデバイスとして設定
servo = PWMOutputDevice(12, frequency=50)  # 周波数50Hz（SG-90は50Hzで動作）

# サーボモーターを指定した角度に移動
#  - angle: 0〜180度の範囲で指定
def set_angle(angle):
    # パルス幅をデューティサイクルに変換 (500us〜2400usを2.5%〜12.0%にマッピング)
    duty_cycle = (500 + (angle / 180.0) * 1900) / 20000.0
    servo.value = duty_cycle  # デューティサイクルを設定
    sleep(0.5)  # サーボの移動待機
    servo.off()  # 振動防止のためPWM信号を停止

try:
    while True:
        print("0度に移動")
        set_angle(0)
        sleep(1)

        print("90度に移動")
        set_angle(90)
        sleep(1)

        print("180度に移動")
        set_angle(180)
        sleep(1)

except KeyboardInterrupt:
    print("終了します")
finally:
    servo.off()

【8】所感

今回はモーターがおかしな挙動を見せたので、不良品なのではないかと疑ってしまった。
実際にはラズパイのソフトウェア PWMの不安定さがモーターの誤作動となって表れていた。
※近いうちに「5V出力昇圧DCDCコンバーター」を使ってPWM信号の電圧を上げて実験してみよう。

それに比べてハードウェア PWMは安定感がすばらしい！
いつかラジコンカーのステアリングに使ってみたい。

また、PWMを使えば、アナログデバイスをデジタル信号で制御できる。
例えば、
・LEDの明るさを好きに変える。
・モーターの回転速度を好きに変える。
など、各デバイスに入力する電圧を変えなくても制御できてしまう。

いつかきっと何かの役に立つだろう。

いつかきっとラジコンが作りたくなるはず…

参考情報

ありがとうございます。 m(_ _)m
https://www.slideshare.net/YoshimotoYukiyoshi/raspberry-pipwm

連載

Raspberry Piの初期設定から簡単な動作実験まで、以下はマイコン制御入門の連載です。
(21) 【連載1-1】マイコンで電子工作入門：選定
 (22) 【連載1-2】マイコンで電子工作入門：ラズパイ初期設定
 (23) 【連載1-3】マイコンで電子工作入門：LED点滅
 (24) 【連載1-4】マイコンで電子工作入門：時報を作る
 (26) 【連載1-5】マイコンで電子工作入門：サーボモーターを廻す
 (27) 【連載1-6】マイコンで電子工作入門：合成音声で時報　←次回

(26) 【連載1-5】マイコンで電子工作入門：サーボモーターを廻す

1. やってみたいこと

2. ハードPWM vs ソフトPWM

(1) ハードPWM

(2) ソフトPWM

(3) どちらがよいのか？

3. パーツを調達

(1) モーターを購入

(2) モーターの仕様

4. 設計

(1) GPIOはどう使う？

(2) モーターは別電源で駆動する。

5. 実装

6. マイコンで制御してみる！

(1) ターミナルを起動し、Python3を実行する。

(2) 必要な Pythonモジュール（＝パッケージ）を読み込む。

(3) GPIOを初期化する。

(4) モーターを廻す。

(5) 終了処理

(5) ハードウェアPWMでモーターを廻す。【仕切り直し】

(6) もし自分でちゃんと作りたければ…

【7】Raspberry Pi 5での実装 (2024.11.23追記)

(1) 愚直に手動でPWM制御する場合

(2) gpiozeroパッケージのPWM制御クラスを利用する場合

【8】所感

参考情報

連載

「(26) 【連載1-5】マイコンで電子工作入門：サーボモーターを廻す」への2件のフィードバック

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1. やってみたいこと

2. ハードPWM vs ソフトPWM

(1) ハードPWM

(2) ソフトPWM

(3) どちらがよいのか？

3. パーツを調達

(1) モーターを購入

(2) モーターの仕様

4. 設計

(1) GPIOはどう使う？

(2) モーターは別電源で駆動する。

5. 実装

6. マイコンで制御してみる！

(1) ターミナルを起動し、Python3を実行する。

(2) 必要な Pythonモジュール（＝パッケージ）を読み込む。

(3) GPIOを初期化する。

(4) モーターを廻す。

(5) 終了処理

(5) ハードウェアPWMでモーターを廻す。【仕切り直し】

(6) もし自分でちゃんと作りたければ…

【7】Raspberry Pi 5での実装 (2024.11.23追記)

(1) 愚直に手動でPWM制御する場合

(2) gpiozeroパッケージのPWM制御クラスを利用する場合

【8】所感

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