RL78/G10ファミリR5F10Y47ASPとTB67H450ドライバを使ってDCモーターをPWMチョッパ制御してみた。

DCモーターを可変速度制御してみた。

使うもの

実験回路をブレッドボードに作る

前回までのソフトウェアを再利用するので、今回は実験回路を先に作る。

AE-TB67H450回路図

TB67H450FNGは、PWMチョッパ方式のDCブラシモータドライバです。
TB67H450データシート

実験回路図

FA-130RAは電圧範囲1.5V～3VだけどTB67H450のモーター電源電圧下限が4.5Vなので電源は単3ニッケル水素充電池4本直列にする。

モーターの定格電圧より供給電圧が高いけど、モータードライバーの電流制限を1A位にしておけば（モーターストールしていなければ）大丈夫だろうと。

schematic

おもにモータのブラシで発生するノイズで制御回路の動作不調を引き起こすので、それを抑えるためにモーターの端子間とケース間はセラミックコンデンサーで高周波を短絡させておく。

VREFには電源電圧の半分を与えるので、TB67H450データシートにある式で制限電流を計算すると $$ I_{out} = 0.1 \times \frac{2.5}{0.22} \approx 1.1 \mathrm{A} $$ この程度ならモーター焼損しないだろうと。

実験回路

これはIN1,IN2ともにHを入力してショートブレーキをかけている状態。実験回路

この状態で

IN1をH, IN2をLの信号を入力するとモーターが正転
IN1をL, IN2をHの信号を入力するとモーターが逆転
IN1をH, IN2をHの信号を入力するとショートブレーキ

になることを確認しておく。

e2 studioで新規プロジェクトを作る。

新規 -> Renesas C/C++ Project -> Renesas RL78 から
Renesas CC-RL C/C++ Executable Project を選択して
ターゲット・デバイス: R5F10Y47 を選択して
Use 周辺コード作成にチェックを入れてプロジェクトを作る。

これはそのまま確定する。
e2studio01

クロックは基盤に20MHzセラロックが載っているが、今回はオンチップオシレータ20MHzを選択する。 e2studio02

周辺機能のシリアル・インターフェースIICAの転送モードはシングルマスタ e2studio03

設定はそのままでいい e2studio04

PWMのためにタイマーチャネル0を多重PWM出力(マスタ)、タイマーチャネル1を多重PWM出力(スレーブ)、タイマーチャネル2を多重PWM出力(スレーブ)にする。
e2studio05

チャネル0の周期は1msつまりPWM周波数1,000Hz e2studio06

チャネル1とチャネル2のデューティは共に0% e2studio07

ロータリーエンコーダ読み取りとディレイのために12ビットインターバルタイマーを使用する。 e2studio08

ロータリーエンコーダを接続するポートP00, P01を入力に設定して内蔵プルアップにチェックを入れる。
e2studio09

保存して「コードを生成する」をクリックする。

端子配置図を確認する。 e2studio10

VSS(7番ピン)をGND
VDD(8番ピン)を5V
TOOL0(2番ピン)を書き込み器
RESET#(3番ピン)を書き込み器
SCLA0(15番ピン)を液晶モジュールのSCL
SDAA0(16番ピン)を液晶モジュールのSDA
TO02(14番ピン)をTB67H450モータードライバーのIN2
TO01(13番ピン)をTB67H450モータードライバーのIN1
P00(9番ピン)をロータリーエンコーダのB相出力
P01(10番ピン)をロータリーエンコーダのA相出力

に接続する。
(P00/P01はマイコン内臓プルアップをSCL/SDAは液晶モジュールの変換基盤に載っているプルアップを利用した)

プロジェクト設定

プロジェクト設定は前前前回と同じ。

GitHubリポジトリ

https://github.com/ak1211/R5F10Y47_dcmotor

コード

詳細はGitHubリポジトリで確認してください。

/src/cg_src/r_cg_main.c

r_cg_main.cコードの一部を貼っておきます。

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static void set_speed(int8_t speed) {
	if (speed < -100 || 100 < speed) {
		return;
	}
	// PWM出力の周期
	uint32_t pwm_period = (TDR00H << 8 | TDR00L) + 1;
	//
	uint16_t forward = 0;
	uint16_t backward = 0;
	if (speed < 0) {
		forward = 0;
		backward = pwm_period * (uint32_t) (-speed) / 100;
	} else if (speed > 0) {
		forward = pwm_period * (uint32_t) speed / 100;
		backward = 0;
	}
	TDR01H = (forward >> 8) & 0xFF;
	TDR01L = forward & 0xFF;
	TDR02H = (backward >> 8) & 0xFF;
	TDR02L = backward & 0xFF;
}

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void main(void)
{
    R_MAIN_UserInit();
    /* Start user code. Do not edit comment generated here */
	// 100ms待つ
	delay(100);
	// LCDの初期化
	AQM1602A_init();
	// 1行目
	AQM1602A_puts("RL78 DC motor");
	//
	gROTATION_COUNTER = 0;
	while (1U) {
		// 2行目
		char message[17];
		strcpy(&message[0], "ON duty = ");
		to_string(&message[8], gROTATION_COUNTER);
		strncat(message, " % ", 5);
		//
		AQM1602A_send_command(0x80 | 0x40); // アドレス設定
		AQM1602A_puts(message);
		//
		set_speed(gROTATION_COUNTER);
		//
		delay(100);
	}
	/* End user code. Do not edit comment generated here */
}

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static void R_MAIN_UserInit(void)
{
    /* Start user code. Do not edit comment generated here */
	R_IT_Start();
	R_TAU0_Channel0_Start();
	EI();
	/* End user code. Do not edit comment generated here */
}

Renesas Flash Programmerで書き込む

rfp01

実行

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IN1/IN2(TB67H450)の入力

チャネル CH1(黄色): IN1 / CH2(緑色): IN2

マイナスのデューティは逆転と読み替えてください。

オンデューティ10%
オンデューティ25%
オンデューティ50%
オンデューティ75%
オンデューティ100%
オンデューティ-10%
オンデューティ-25%
オンデューティ-50%
オンデューティ-75%
オンデューティ-100%

電流波形

PWMのOFF期間中モーター電流を電源に回生しているので、トルクがよわよわ。

PWM出力によるブラシ付DCモーターの駆動：PWM駆動時の電流回生方法

CH1(黄色): IN1の信号(IN2はLow固定)
CH2(緑色): 回路図の抵抗RSの電圧 ≒ モーターと電源間の電流

ON時に上昇したモーター電流がOFF時に逆向きの電流になって電源に回生されている。

SlowDecay方式

トルクが弱いので /src/cg_src/r_cg_main.c をSlowDecayになるように変更する。
OFF時にモーター端子間に電流を流すことで、モーター電流をできるだけ維持するように制御する方式。
具体的にはIN1/IN2のロジックを反転する。

PWM出力によるブラシ付DCモーターの駆動：PWM駆動時の電流回生方法

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static void set_speed_fast_decay(int8_t speed) {
	if (speed < -100 || 100 < speed) {
		return;
	}
	// PWM出力の周期
	uint32_t pwm_period = (TDR00H << 8 | TDR00L) + 1;
	if (speed > 0) {
		//
		// 正転
		// IN1: PWM(Active High)
		// IN2: Low
		//
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブハイ)
		TOL0 &= (uint8_t)~0x06;
		// TO01デューティ
		uint32_t timer = pwm_period * (uint32_t)speed / 100;
		TDR01H = (timer >> 8) & 0xFF;
		TDR01L = timer & 0xFF;
		// TO02デューティ
		TDR02H = TDR02L = 0;	// 出力Low固定
	} else if (speed < 0) {
		speed = -speed;
		//
		// 逆転
		// IN1: Low
		// IN2: PWM(Active High)
		//
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブハイ)
		TOL0 &= (uint8_t)~0x06;
		// TO01デューティ
		TDR01H = TDR01L = 0;	// 出力Low固定
		// TO02デューティ
		uint32_t timer = pwm_period * (uint32_t)speed / 100;
		TDR02H = (timer >> 8) & 0xFF;
		TDR02L = timer & 0xFF;
	} else {
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブハイ)
		TOL0 &= (uint8_t)~0x06;
		// TO01デューティ
		TDR01H = TDR01L = 0;
		// TO02デューティ
		TDR02H = TDR02L = 0;
	}
}

static void set_speed_slow_decay(int8_t speed) {
	if (speed < -100 || 100 < speed) {
		return;
	}
	// PWM出力の周期
	uint32_t pwm_period = (TDR00H << 8 | TDR00L) + 1;
	if (speed > 0) {
		//
		// 正転
		// IN1: High
		// IN2: PWM(Active Low)
		//
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブロー)
		TOL0 |= (uint8_t)0x06;
		// TO01デューティ
		TDR01H = TDR01L = 0; // 出力High固定
		// TO02デューティ
		uint32_t timer = pwm_period * (uint32_t)speed / 100;
		TDR02H = (timer >> 8) & 0xFF;
		TDR02L = timer & 0xFF;
	} else if (speed < 0) {
		speed = -speed;
		//
		// 逆転
		// IN1: PWM(Active Low)
		// IN2: High
		//
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブロー)
		TOL0 |= (uint8_t)0x06;
		// TO01デューティ
		uint32_t timer = pwm_period * (uint32_t)speed / 100;
		TDR01H = (timer >> 8) & 0xFF;
		TDR01L = timer & 0xFF;
		// TO02デューティ
		TDR02H = TDR02L = 0; // 出力High固定
	} else {
		// タイマー出力論理(TO01/TO02共にアクティブハイ)
		TOL0 &= (uint8_t)~0x06;
		// TO01デューティ
		TDR01H = TDR01L = 0;
		// TO02デューティ
		TDR02H = TDR02L = 0;
	}
}

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void main(void)
{
    R_MAIN_UserInit();
    /* Start user code. Do not edit comment generated here */
	// 100ms待つ
	delay(100);
	// LCDの初期化
	AQM1602A_init();
	//
	gROTATION_COUNTER = 0;
	while (1U) {
		// 2行目
		char message[17];
		strcpy(&message[0], "ON duty = ");
		to_string(&message[8], gROTATION_COUNTER);
		strncat(message, " % ", 5);
		//
		AQM1602A_send_command(0x80 | 0x40); // アドレス設定
		AQM1602A_puts(message);
		// ポート2でfast decay / slow decay を切り替える
		if(P0_bit.no2) {
			set_speed_slow_decay(gROTATION_COUNTER);
			// 1行目
			AQM1602A_send_command(0x80); // アドレス設定
			AQM1602A_puts("RL78 DC motor(S)");
		} else {
			set_speed_fast_decay(gROTATION_COUNTER);
			// 1行目
			AQM1602A_send_command(0x80); // アドレス設定
			AQM1602A_puts("RL78 DC motor(F)");
		}
		//
		delay(100);
	}
	/* End user code. Do not edit comment generated here */
}