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【テキスト】『nuvo® BASIC』

モータ制御学習キットで学ぶ


nuvo® BASIC モータ制御学習キット

モータ制御で学ぶ電子回路と組込みプログラミング(毎日コミュニケーションズ)

 

本書では、ロボットやメカトロニクスの根幹技術であるモータ制御を題材として、現代のメカトロ・エンジニアに必須の電子回路と組み込みプログラミングの基礎を学んでいきます。書中では、知識習得のための講義と実験課題を交互に繰り返し、要素要素を短期で身につけられる構成になっています。

BA-A1 組み込みプログラミングの基礎(モータ制御基礎編)

DCモータの両端に電池を繋ぐとモータは、ぐるぐると回り始めてしまいます。 しかし、実際のロボットでは、関節をある角度で静止させることが必要です。どのようにすればよいのでしょうか?これがモータ制御で学習する事項です。
まず、トランジスタ、ポテンショメータなどの電子部品の特性を調べ、それらの部品を使って、「ポテンショメータの角度と抵抗値のグラフ」「トランジスタによるモータ駆動」「H-Bridge回路」といった電子実験を行います。 部品の理解が進んだら、CPUを使って、「ポテンショメータの値のA/D変換」「エンコーダの値のカウント」「PWMによるモータ速度の変化」そして、モータ制御「ソフトウェアサーボ」の実験になります。

BA-A2 組み込みプログラミングの基礎(PID制御実装編)

本書の基礎編に相当する「BA-A1 組み込みプログラミングの基礎(モータ制御基礎編)」では、最終的にON/OFF制御でモータの角度フィードバックを実現するのに必要な“電気部品の基礎”と“組み込みプログラミング”をイチから実習によって学習する内容でした。
本書では、産業界で一番良く用いられているPID制御を実装すること考えます。最終的にPID制御を実装するにあたって必要な組み込みプログラミングの基礎を学習し、最後にP制御、D制御の挙動をロギングデータで解析し、PID制御についても学習します。PID制御では、P制御、D制御の挙動が下図のようなロギングデータだけなく,実際に動きが見てとれるので、PID制御の役割を理解するのに相応しい題材と言えます。これは、大学などでの学生実験においてのご使用が可能です.

 

BA-A3 組み込みプログラミングの基礎(PID制御の設計と実習編)

本書「BA-A3 組み込みプログラミングの基礎(PID制御の設計と実習編)」で学習する内容としては、大きく2つあります。 一つはノイズ除去のための一次ローパスフィルタの学習です。もう一つは、トルク制御によるPID制御の設計、実装、チューニングです。「BA-A2 PID制御の実装編」で学習したPID制御は、目標値に追従するように制御器がPWM信号のDuty[%]を適宜変更してモータを駆動しており、各ゲインは試行錯誤によって決めました。PID制御の各ゲインを設計的に求めようとすると、このPWM方式ではあまり都合がよくありません。そこで一つの方法は、電流フィードバックを構築することによって電流指示(トルク指示)ができるものとして、制御対象をモデリングして、ゲインを設計する手法がああります。これが、トルク制御によるPID制御です。
今までは、組み込みプログラミングの基礎というコンセプトで、初歩の初歩から学習していくことを前提としていたので、理解しやすいという観点から浮動小数点を用いて実装してきました。しかし、通常はより安価なマイコンでより多くの処理をしたいという要求があるので、floatはあまり使われません。今回実装する電流フィードバックは短い制御周期としたいことから浮動小数点による実装は現実的ではありません。そこで、電流フィードバック制御は整数演算による実装をしています。組み込みプログラミングにおいて、整数演算の考え方は非常に重要なので、本書で学習します。
※本書の内容は、nuvo® BASIC Ver.1.10以降を対象としています。
(Ver.1.00は、電流を計測するシャント抵抗が搭載されていないため電流フィードバックができないためです。)

BA-B1 『モータ制御学習キット nuvo® BASIC 実験マニュアル Verilog HDLを用いた回路設計 ~ HDL基礎編 ~』

ソフトウェアが得意な領域は、H8マイコンで。ハードウェアが得意な領域は、CPLD(FPGA)で。産業界で広く使われているアルテラ製CPLDを用いて、ハードウェア設計の基本を学習します。
AND・ORの論理演算から、デコーダ、セレクタ、フリップフロップと、基礎を順を追って学習します。


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