PCA9685およびTB67H450FNGの使い方
~4輪ロボットのモータ制御~
edayuJetson Nanoを用いた自律移動ロボットの作成を目指し、PCA9685およびTB67H450FNGを用いてモータ制御を行っていきます。
TB67H450FNGを用いたモータ制御（正回転、逆回転のPWM出力）をするためには、モータ1つにつき2ポートのPWM出力が必要となります。つまり4輪ロボットの移動を制御するためには合計8ポートのPWM出力を準備する必要があります…。
Jetson NanoのPWM出力は2ポートのみであるため、今回はPWM出力モジュールPCA9685を用いて8ポートのPWM出力を実現しようと思います。PCA9685自体はJetson NanoとI2C通信させます。
使用機材
モータ
モータは前回の記事で選定した、Pololu社のエンコーダ付き6V 210：1 75RPMマイクロメータギアモータを用います。
モータドライバ
以前の記事で紹介した、TB67H450FNGを用いることとします。以前は購入したTB67H450FNG(SMD)をDIP変換基板でDIP化して使用していました。
今回は秋月電子で既にDIPのモジュールとなったものが販売されていたため、そちらを使用することとしました。
https://akizukidenshi.com/
ＴＢ６７Ｈ４５０モータドライバモジュール
通販コード：K-14753
PWMドライバ
Adafruit Industries社のPCA9685モジュールを購入しました。
Switch Science社の下記ページで購入可能です（2022/02/26現在）
https://www.switch-science.com/catalog/961/
PCA9685搭載16チャネル PWM/サーボ ドライバー (I2C接続)
回路
今回の回路を下記のようになっています。
回路図はKiCadで作成しています。
PCA9685
Jetson NanoとI2C通信を行うため、SDAとSCLをそれぞれ接続します。
また、PCA9685自体の電源VCCはJetson Nanoの3.3V出力を用います。
OEはアクティブLOW（LOWにすればPCA9685が動作する）のため、10kΩの抵抗を介してGNDに接続します。
PWM0～PWM7をTB67H450FNGのIN1、IN2にそれぞれ入力します。
モータの動作電源はバッテリからTB67H450FNGに供給するため、PCA9685のV+は使用しません。
TB67H450FNG
IN1、IN2にはPCA9685のPWM0～PWM7それぞれ入力します。
モータ電源Vmには、回路図では省略していますが、DC/DCを介してバッテリを接続しており、6Vを入力しています。
OUT1、OUT2にはモータの+、-端子をそれぞれ接続します。
モータの定格電流が170mAなので、170mA以上は電流が流れないようにVrefとRSで設定を行います。
ちなみに出力電流の上限値$I_{out}(Max)$は下記の式で計算できます。
※$V_{ref}(gain) = 0.1$です。
$$I_{out}(Max) = V_{ref}(gain) * \frac{V_{ref}(V)}{ RSS(Ω)}$$
今回は$V_{ref} = 1.65V$、$RSS = 1.0Ω$とすることで、出力電流の上限値$I_{out}(Max) = 0.165mA$とするつもりでした。
ただ、上記の設定だとモータが動作しなかったため、$RSS = 0.5Ω（I_{out}(Max) = 0.33mA？）$としています。この設定だと動作しました。理由は不明です…。
ロボット機体
モータ動作による移動を検証するための試作機を、ユニバーサルプレートで作成しました。今はユニバーサルプレートの上に各部品を載せているだけで、空中配線ばかりになってしまっていますが、ある程度サイズ感が分かってきたら、CADで設計し、ボディを改めて作成する予定です。
現状の試作機(図4)の詳細に関しては、後日別の記事で紹介させていただくので、詳細が知りたい方は少々お待ちください。
プログラム
Githubに載せたため、下記を参照ください。
https://github.com/edamame-y/Jetson-Nano-motor-control
試走
上記の回路、プログラムで試走している様子です。PCA9685およびTB67H450FNGを用いてモータ制御を行っています。Jetson Nanoとバッテリが重く、旋回できなかったため、旋回する際のPWMの値を大きくしています。（それでも旋回する際に滑っているようですが…笑）
まとめ
PCA9685およびTB67H450FNGを用いて、8つのPWM出力を準備し、4つのモータ制御を行いました。
そのうちハードウェアに関しても説明および格好がいいものにアップデートしていく予定です。
