はじめに

　ここではPICと「ＡＧＢ６５−ＳＡＣ（Small Actuator Controller）」を使ってモータなどのアクチュエータをいろいろと駆動してみます。

　
　※このページで紹介する内容はあくまでも一例です。個別の作成のご相談ご質問はお答えできませんのでご了承下さい。このページと同じ内容についてのご質問についてはロボット掲示板にてお願いいたします。

　※ここではビギナー向けに解説していますが、このページは、プログラミング技術の向上を狙っておりません。ＶＣ＃に関する質問はご遠慮下さい。（他所で良いページがたくさんありますのでインターネットで調べてください。もしくは本を買って勉強してください。プログラム本は高いですが、図書館に申請すると無料で読めます。ついでにギ研の本も申請してもらえたら幸いです。）

　今回使用するＡＧＢ６５−ＳＡCは１つのボードに正転／逆転用のモータポートが４チャンネルあり、４つまでのＤＣモータ（及び、電流を流して駆動するアクチュエータ）又は２つまでのステッピングモータを駆動することができます。

　小型アクチュエータ　AGB65-SACの詳細はこちらを参照願います。＜−このページは必ず参照してください。
　 （以後、このページをSACのページといいます）

　マイコンとの接続の概略は次のようになります。ＩＤを切り替えることにより1ラインに８つまでのＳＡＣを配置できます。マイコンによっては複数のシリアル通信機能（非同期シリアル通信。UARTという名前が多い。）があるものもありますのでその場合はそれぞれに８つまでつなぐことができます。また、ＳＡＣ以外のＡＧＢ６５シリーズもＩＤがＳＡＣとは異なりますので、同じラインに数珠つなぎに接続していくことができます。
※ＵＡＲＴの仕様は本来は１対１の通信ですが、ＡＧＢ６５シリーズは特殊な構造になっており、ＡＧＢ６５同士でシリアルラインを共有できます。

　


＜ＰＩＣマイコンについて＞
　電子工作を行っている皆様にはもうおなじみのマイコンであるＰＩＣですが、書籍やインターネット上での情報が豊富で、開発環境がアセンブラならメーカーのホームページより無償で入手できるというものです。最近では高機能のタイプが出てきましたが、もともとは小さくて単機能なシステムを作るために作られた経緯があり、機能やパッケージのバージョンも豊富です。

　ここでは、８ピンでありながらＡＤＣまで付いている　１２Ｆ６７５　を使ってみます。開発環境はＭＰＬＡＢをメーカーのホームページよりダウンロードします。言語は多くの方が使っていると思われる　ＣＣＳＣ　を使います。ＣＣＳＣはサードパーティ製のＣ言語コンパイラですが、ＰＩＣのＣコンパイラの中では安いと思います。またインストールするとＭＢＬＡＢに組み込まれてＭＰＬＡＢでコンパイル指示すると自動で動いてくれるので使いやすいと思います。

　以降で使っているマイコンボードは以前作ったもので、１２Ｆ６７５に電源ジャックをつけたものです。このボードの作成と、開発環境のセットアップについてはこちらのページを参照願います。

　 ＰＩＣマイコンボードを使って見る　のページ

＜−前に作ったボード。ACジャックが付いてる
　PICへのプログラムミングは、純正のライタ　PICSTART Plus　を使って書き込んだ後に、上のボードのICソケットに挿すというやり方でやってます。PICの場合にはいろいろな書き込み方があるので、ご自分に合った環境でよろしいかと。安い自作ライタなどのキットも売っているようです。

接続ですが、ＳＡＣは５Ｖ出力があります。これはオプションであるＡＧＢ６５−２３２Ｃへの電源供給用にとつけたものですが、今回はＰＣとはつなぎませんのでここから電源が取れそうです。ＳＡＣの５Ｖ出力はＭＯＲＥＸの53047-0210コネクタが付いていますのでこのコネクタのメス側が入手できればそれを使うと良いでしょう。今回はこのコネクタ裏から線を出してPICに電源を供給することにします。尚、このコネクタの端子間がせまいので、ショートしないように十分注意して下さい。（当然、改造なので保証外です）。

　　　　

　SACの方ですが、後で実験しやすいように1L,1H,2L,2H,3L,3H,4L,4H,G1-4端子にはピンヘッダを付けています。
　この基板ですが、裏面にモータドライバICが２個付いています。この部分を机などに接触したまま、アクチュエータ用の電源コネクタを抜き差ししたりすると、大きな力が加わってICが壊れますので、使用するにあたってはスペーサなどを取り付けた上で行ってください。基板の取り付けはM2ネジを想定しています。例えば１．５ｍｍ厚のアルミ板にネジ止めする場合は、２ｍｍ系５ｍｍ長スペーサとM2L8ネジが最適です。WILCOあたりで購入できます。
　ここではまだモータなどは付けていません。それぞれのアクチュエータの接続実験はこのページ下で行います。


私も今現在、MOREXのコネクタを持っていなかったのでSACの背面から５V電源を取ることにしました。とりあえず線をハンダ付けして、ショートなどしていないかルーペでよく確認します。
どちらが５VかGNDかですが、パターンを見るとベタグランド（色が薄くなってる大きな面）についている方がGNDとなりますのでわかります。よくわからなかったら表の印刷を確認して下さい。


SACには通信ケーブルが付いていますのでそれを改造して、H8側にはピンヘッダ用のコネクタ（２５５０コネクタ：浅草ギ研で売ってます）を取り付けました。紫と緑の線がそれです。灰色の線はTXEラインで、これはAGB65同士を接続するときだけに使いますのでここでは使いません。２５５０コネクタは千石電商でも買えます。
同じように、５Vコネクタ裏から出した線にもコネクタを付けておきました。


ということでAGB65-SACと自作PICマイコンボードを接続したところ。


SACは内部５Vで動いており、６V以上（１５Vまで）の電源が必要です。SACに添付されている電源ケーブルは９V乾電池用のスナップがついてます。供給する電源はできるだけ６Vに近い電圧の方がロスが少ないのでできるだけ低くしましょう。あまり高い電圧を入れると、電圧差が熱となり、裏面の電源ICが非常に熱くなるので注意して下さい。

プログラミング中はずっと通電することもあるかと思いますので乾電池を使いたくない場合はケーブルを加工して外部電源化するのもよいでしょう。今回は１Aまで出力できる９VのACアダプタが手元にありましたのでそれを使いました。ＡＣジャックと、ADCに添付されている９Ｖ乾電池用のケーブルを切ってハンダ付けしたのが下の右の写真です。
　　

＜アクチュエータ用電源＞
アクチュエータを駆動するにはアクチュエータ用のバッテリが必要です。特にSACでは大きな電流が流れる可能性もあるのでそれぞれの仕様に合った電源を使うようにしましょう。RSC側のコネクタは

　日本圧着端子製B2P-VHコネクタ

ですので、電源やバッテリと接続する場合はコネクタを作成する必要があります。（SACにはコネクタ作成用のケーブルも添付されていますのでそれを切って、別のバッテリなどにつなぎます。バッテリをショートさせると非常に危険ですので十分注意して作業を行ってください。）

下の写真は、無線機用の３０Ａまで出力できる電源に、SAＣや、他のＲＣサーボコントローラのサーボ電源用コネクタをつけたところです。電圧はつまみで調整できて５〜１３Ｖぐらいまで調整できます。
（ＡＬＩＮＣＯのＤＭ−３３０ＭＶというもので、ツクモロボット王国で売ってます。）
私もプログラム中はこれをつかってます。
モータなどは複数個を同時に駆動すると数A必要とすることがありますが、電子機器用の出力の小さいACアダプタはどではきちんとモータを動かせない場合があるので、テスト中にAC電源を使う場合はこのような大容量のものを使うことをお勧めします。実際にロボットに組み込むときにはニッケル水素バッテリなどを使用すれば大電流が出せます。


その他細かい接続や注意点はSACのページを参照願います。

SACへの命令はシリアル通信により行います。

CCSCの場合は、UARTなどのシリアル通信機能がついていないPICにもソフト的にシリアル通信機能を実装することができ、しかも任意のピンを送信、受信ピンに指定できます。

プログラムが非常に短いので、全ソースを掲載します。
行４のところがCCSCでシリアル通信機能を実装する部分です。ここではGP0を送信、GP3を受信に設定し、通信速度を9600bpsにしています。この宣言だけで、２つの端子をシリアル通信端子として使用できます。但し、内蔵の４MHｚクロックウを使って通信するのであまり速い速度は設定できません。
設定した端子からデータを１バイト送信する関数が行２６の　putc()　関数です。
行３のdelayは、CCSCの機能でウェイト関数を使うためのものです。delay_ms()　は引数ｘｍSのウェイトを行う関数で、行３の宣言を行うとこれらの関数が使えるようになります。詳しくはCCSCのマニュアルにありますのでそちらを参照してください。


とりあえず、ここではDCモータをON/OFFして駆動する、命令１を発行するプログラムを作っています。

SACのページを見ると、命令１のフォーマットは次のようになっています。

マブチモータ（DCモータ）の接続

ホビーで一番使われていると思われるDCモータ、マブチモータを動かしてみます。マブチモータは浅草ギ研では販売していませんので、ツクモロボット王国に買いにいきました。SACは２〜８．４Vのアクチュエータが対象になりますが、店長にお聞きしたところ、低電圧では

FA-130
RE-140
RE-260
RE-280

が３V動作ということで、これらを購入しました。
マブチモータはコイル抵抗が非常に低いので、SACに直結すると大きな電流が流れてSACが壊れます。実際にテストしてみたところ壊れましたので１００％壊れます。よって電流を制限するために、モータの両端に１オーム２W以上の酸化皮膜抵抗を取り付けてください。電子回路でよく使う１／４や１／８Wカーボン抵抗を使うと、抵抗器が非常に熱くなり、長時間動かすと抵抗が燃えたり破裂したりしますので、かならず２W以上のものを使用してください。

　　


片方側だけに２オームの抵抗を入れても動きますが、正転と逆転で差が出ますので、両端に１オーム（以上）を入れた方が安定動作します。尚、抵抗が大きすぎると回転が遅くなるので注意して下さい。




実際に、モータに抵抗を取り付けたのが下の写真になります。実験中にショートすると怖いので、端子が出ている部分は絶縁テープを巻いています。この後にはステッピングモータなどをつないでみますので、取り外しできるようにコネクタも付けてみました。浅草ギ研で販売している２５５０コネクタをつけていますが、２．５４ｍｍピッチであればなんでも良いかと思います。



モータ用電源ですが、今回はNiMH（ニッケル水素）バッテリを使ってみました。RE260などのマブチの低電圧モータは３V推奨で、１．５V〜３Vが動作電圧となっています。NiMHは１本で１．２Vなので２本で２．４Vでちょうど良い。




全部つないでみたところが下の写真になります。ちょうど４種類のモータを買ったので、４ｃｈ全てにつなげてみました。




では早速、先のプログラムを実行してみました。すると、指定したとおりに１秒おきにｃｈ１につないだモータが正転／逆転しました。設定値をいろいろ変えることにより、動かすモータと方向が変えられます。命令の詳細はＳＡＣのページに書いてあります。
例えば、設定値を０ｘ５５にすると４ｃｈ全部が正転します。実際に命令を送信したところ、全てのモータが勢いよく正転しました。この時、各モータに流れた電流は２００〜５００ｍＡぐらいでした。軸を固定してストールさせてみたところ各１Ａぐらい流れましたが、短時間（３秒とか）ならば問題ない様子でした。長時間は怖いので試してません。SACは１ｃｈにつき最大７００ｍAが規格値です。
ちなみに、マブチモータの規定の３Ｖを超えて５Ｖぐらいで回してみたところ、さらに早く回転しましたが、ドライバＩＣや抵抗の発熱が大きくなりました。短時間なら５Ｖでも大丈夫そうです（マブチモータの仕様は超えてますので責任は負いません）。
命令０を実行すると全て止まりました。


次にＰＷＭも実験してみました。
PWM制御によって回転速度を変えられます。SACの場合はPWMのデューティーを％で指定します。

＜送信フォーマット＞
[255] [ID(20-27)] [バイト長(3)] [命令(30)] [No(1-8)] [D(0-100)]

送信データを変えて、PWMを変えてみる実験をしました。


ｃｈ１を正転させますが、PWMのパワーを徐々に上げてみるというプログラムを書きました。
実験すると、PWM２０％のときは、高周波音がするだけで回転しませんが、４０％から徐々にスピードが上がって回転していきます。

全ソースは下の通り

AGB65_SAC_test2.c
(右クリックで対象を保存)


最後を１０１（％）としてますが、１００よりも大きな値にするとパルスは発生せずに、ＯＮがフラットな状態で出力されます。但し、１００％にしても１０１％（もしくはそれ以上の値）にしても違いはまったくわかりません。一瞬でもＬＯＷになってはいけないようなアクチュエータの場合は１０１以上を設定するとよいでしょう（それがどういうものがはわかりませんが）。

命令２０でPWMのパルス周期を変えられますが、小型のＤＣモータぐらいでしたら初期設定（１ｍＳ周期）で特に問題ないようです。周期を長くしたりするとギコちない動きになることが予想されますので特に設定は変えない方が良いでしょう。命令２０は念のために付けた程度のものです。
尚、ステッピングモータを駆動するときには自動的にさらに周期を短くしています。

ＳＡＣは小型のアクチュエータを動かす用途で設計されていますので、小型のアクチュエータも販売しています。その中の一つが電磁石サーボＡＡ−ＰＴ０１です。

AA-PT01


AA-PT01はコイルの中の動作軸に磁石を取り付けたもので、電流の方向により左右に動きます。
非常に小さいものなのでトルクはありませんが、軽いものならば動かせますので、ロボットの装飾などに最適かと思います（耳を動かしたりとか。紙とか発泡スチロールなどで作れば動かせます）。最近では外装もあるロボットが増え、人間とのインターフェイスに表情なども効くと思いますのでこれから流行ればよいと思ってます。
コイルから出たエナメル線には１ｍｍピッチのピンヘッダが付いています。SACと接続するには２．５４ｍｍピッチにする必要があるので、手元にあったケーブルと２５５０コネクタ（浅草ギ研で販売）を使ってコネクタを付けてみたのが下の写真です。



AA-PT01は、電流が流れていない時は動作軸がフリーになりますが、添付の磁石を付けると、電流が流れていない時に中心位置付近に止めておくことができます。下の写真のコイル右についている小さい銀色のツブがその磁石です。取り付け位置によって止まる位置が若干変わります。下の写真では、中心位置にしようと思いましたが磁石を少し上の方につけてしまい、軸が少し右に流れています。通電していない時にこの状態になります。



では早速駆動してみましょう。単純に右左に動かすには、コイルから出ている２本の線の片方をON/OFFすればよいので命令１を実行してみました。ちなみに、下の写真ではSACのｃｈ１（の１Lと１H)につないでいます。＃１をONにしたところ、左にふれました。



＃２をONにすると逆になります。

AA-PT01は両端子をPWM制御することで、位置制御も可能です。SACは各端子から任意のPWM波形が出せますので、これで制御してみました。
まず、＃１を１００％、＃２を０％、つまり上でやった＃１だけONと同じ状態にしみますと、同じく左いっぱいに振れました。
#1=100%/#2=0%

＃２のデューティーを上げると、止まる位置が右の方へ変化していきます。以下同じ。
#1=100%/#2=25%

#1=100%/#2=50%

#1=100%/#2=75%

両方１００％、つまり均衡しているので中心位置（付近？）になりました。
#1=100%/#2=100%

今度は逆に＃１を減らしていくとさらに右になります。
#1=75%/#2=100%

#1=50%/#2=100%

#1=25%/#2=100%

#1=0%/#2=100%

適正負荷”で回転しているときが４ｇｆｃｍとなっています。（ただし、回転速度はステッピングモータの方がかなり遅い。用途が違うので参考まで。）

ＳＴＭ１５にコネクタを付けてみました。ＤＣモータやＰＴ０１のときと同じように２．５４ｍｍピッチコネクタです。
赤と灰がＡ相側、黄と黒がＢ相側になりますので２こづつ。バイポーラなので線は４本しかつながなくて良いです。
ステッピングモータの駆動についてはＳＡＣのページで詳しく説明しています。



ＳＡＣにつないだところが下の写真になります。ＳＴＭ１５は５Ｖ駆動なので、今まで使っていたＮｉＭＨバッテリを外して、テスト用の５Ｖ電源をつなぎました。

赤：１L
灰：１H
黄：２L
黒：２H
につなぎます。端子とコイルの相の関係はSTM15のページにあります。

とりあえず、片方のチャンネル（Ach)にしかつないでいないので、命令９５と命令１０５を実行してみます。

命令９５と命令１０５は関数化しています。ポイントとしては、速度などは２バイトに分割して送るので、プログラム内で２バイトサイズの変数を送信時に１バイトづつに分割します。たとえば、開始速度は数百〜数千の値まで指定する可能性がありますので、プログラム内ではｌｏｎｇ型変数で扱います（CCSCの場合16bitはｌｏｎｇ、だと思いました。）。シリアル通信で送信する場合は１バイトづつしか送れないのでこれを１バイトづつに分割してます。たとえば、行１８はｌｏｎｇ型変数のstartSpdを８ｂｉｔ右シフトすることによって上位バイトを下位８ビットに入れた上で、unsigned charに型変換して上位８bitをカットしてます。行１９は下位８ビットをマスクしてます。

加速設定がわからなかったので、とりあえず開始速度を１００ＰＰＳ、加速ステップ数を２０と少し少なめにして「開始速度が普通で急に最高速度になる」というような設定にしたところ、上限速度は５００ＰＰＳぐらいでした。命令１０５で１０００ステップ回転させています。ＳＴＭ１５はステップ角が１８度なので２０ステップで１回転します。ということは１０００ステップを実行すると５０回転回るということです。


全ソースは次の通り

AGB65-SAC_test3.c
(右クリックで対象を保存)

実行してみたところ、速すぎて５０回回ったかはわかりませんでしたが、毎回同じ位置に止まるので、きちんと指定通りのステップ数を回転していたことがわかります。
−＞止まる位置が同じ


上限速度をいろいろと変えてみましたが、この加速設定ですと最高速を６００ＰＰＳにすると脱調しました。
−＞止まる位置が毎回違う


今度は加速を調整して開始＝５０ＰＰＳ、加速ステップ数５００と「始めはゆっくり、加速も長い時間をかけて徐々に上げる」という設定にしてみました。今度は最高速が１０００ＰＰＳぐらいでも脱調しませんでした。

この設定ですと、開始速度が遅いのと加速時間が長いので加減速の様子が見た目でわかります。
ちなみに、この設定で速度を１０００以上にすると、たとえば１１００PPSに設定すると１１００PPSと思われる時にはブルブルしてるだけで動きませんでした。
また、電圧を低くしてみると、１００PPSぐらいでも脱調子すことがありました。

ということは、電源電圧を５V以上にすると最高速度も変わるような気もしますが、怖いので実験してません。

１分間ぐらい回していたところ、STM１５がかなり熱くなりました。コイル抵抗が低いのと、ほぼむき出しの構造なので熱が出やすいようです。実際に駆動するときには、動作終了毎に命令０を発行して電流を切った方が良いでしょう。
ステッピングモータは停止しているときもその位置を保持するために電流が流れていますので、注意しましょう。


STM15はステップ角が１８度とかなり大きいですが、逆に言うと同じステップ数であれば回転速度が速いということになります。実際に回してみたところ、一般的に入手できる３０ｍｍ径ぐらいのハイブリッドステッピングモータに比べると回転速度が明らかに速いです。ということで、車輪をつけてちょこまかと動くようなロボットに使えるのではないかとおもっています。
マイクロマウスも小さい迷路ができるようですのでこれを機にマイクロマウスにはしるというのもよいかもしれません。

接続は次のようになります。
−ｃｈＡ側−
１L：黒
１H：茶
２Ｌ：黄
２Ｈ：橙
−ｃｈＡ側−
３L：黒
３H：茶
４Ｌ：黄
５Ｈ：橙

青と赤はそれぞれ空いているＧ１〜Ｇ４につないで下さい。



今度は命令９０、命令１００を使って両方同時に回転させてみました。今回、プログラムは掲載しませんが、上記命令９５、命令１０５のプログラムを参考にしてください。SACはSTM設定をしないとSTM駆動ができませんので必ず命令９０を一度実行しましょう。その後は設定を変えるまで（命令９５を実行するまで）何度でも命令１００を実行できます。

KH39FM2-801はマイクロステップも使えます。たとえば４００ステップ進めると、このモータは１ステップが１．８度なのでマイクロステップだと１．８ｘ４００／４＝１８０度回ります。２相励起だと１．８ｘ４００＝７２０度で２回転、ハーフステップだと１．８ｘ４００／２＝３６０度で１回転となります。

マイクロステップはステップ角度が小さいのでスムーズに回る感じです。但し、同じ加速設定だと２相励起などにくらべると回転速度は遅くなります。

最高速度を試してみたところ、
２相励起：５００ＰＰＳ
ハーフステップ：１０００ＰＰＳ
マイクロステップ：１４００ＰＰＳ
といったところでした。

と思ったら、サーボを良く見たら電源がＤＣ６．３Ｖというのを発見。上はＡＡ−ＰＴ０１の実験の流れで５Ｖで駆動してました。前回の疑問点だった電圧を上げると最高速度が変わるかという点ですが、６Ｖにしてみたところマイクロステップで１７００ＰＰＳまで脱調しませんでした。ということで電圧が高くなれば脱調しづらいということがわかりました。

この勢いでマイクロマウスを作ってしまおうと思いましたが断念。力尽きました。