【ラズパイ電子工作】ボリュームに応じてサーボモータを制御する方法(SPI通信)

ラズベリーパイは基板上に「GPIO」と呼ばれる、ラズベリーパイで作成したプログラムから信号の入力・信号の出力が行えるピンが存在します。

信号の入力とは「スイッチのON/OFF」「温度計で室温の計測」といった、ラズベリーパイの外の情報を入力(インプット)してプログラム上で使用することです。

対して、信号の出力とは「LEDを点灯させる」「モータを回す」といった、ラズベリーパイで制御した結果を外に出力(アウトプット)することです。

この記事では、ラズベリーパイのプログラム(Python)からADコンバータに接続された半固定ボリュームの値をSPI通信で読み取り、PWM出力でサーボモータの角度を制御する方法を解説します。

注意

この記事中に記載されている内容はソースコード含めて電気設計人が自己流で行ったものです。一般的な方法とは相違がある可能性がありますので予めご了承ください。

SPI(Serial Peripheral Interface)とは、ICなどの電子部品と通信するために使用される通信方法の一種です。ADコンバータに接続された半固定ボリュームの値をSPI通信を用いて読み取る方法は以下のページで解説しております。

【ラズパイ電子工作】SPI通信でADコンバータの値を読み取る方法(MCP3002)

PWM出力を用いてLEDの明るさを調整する方法は以下のページで解説しております。

【ラズパイ電子工作】LEDの明るさを制御する方法

サーボモータの角度を制御する方法は以下のページでも解説しております。

【ラズパイ電子工作】サーボモータを動かす方法(デューティ比指定)

【ラズパイ電子工作】サーボモータを動かす方法(角度指定)

【ラズパイ電子工作】スイッチを用いてサーボモータを動かす方法

1. 完成イメージ（サーボモータの角度を制御）

この記事で完成するものは以下のようになります。

半固定ボリュームを回すと、サーボモータが旋回します。

ボリュームの状態をADコンバータで読み取る
ADコンバータの値をSPI通信を用いてラズパイに取込む
読み取った値をPWMのデューティ比に反映して出力する

2. 使用する部品

今回使用する部品は以下の通りです。

ラズベリーパイ本体（モデル3B+）

『Raspberry Pi 3 Model B+』を使用します。※2020年6月時点で最新はRaspberry Pi 4になります。

ブレッドボード

LEDや抵抗といった各種部品や(後述する)ジャンパ線などを穴に差し込み、部品間を電気的に接続する板(ボード)です。

電子工作をする上で必須の部品です。

ジャンパ線

ブレッドボートに差し込み、電子部品の間を電気的に接続します。

↑の写真では両側が「ピン」になっており、ブレッドボートの穴に差し込んで使用します。

サーボモータ（SG90）

サーボモータ(Servo motor)とは、位置制御や速度制御ができるモータです。

製造業においてサーボモータは、位置決め・速度制御やトルク制御を行う機構によく用いられる大変高額なものですが、今回はラジコンやホビーロボットに用いられる安価で小型なサーボモータ：SG90を使用します。

サーボモータ：SG90の主要なスペックは以下のようになります。

PWMサイクル	：20ms（50Hz）
制御パルス	：0.5~2.4ms
制御角度	：±90°（180°）
動作電圧	：4.8V（～5V）
動作スピード	：0.1s / 60°

動作角度が±90°のため、モータをグルグル回すことはできません。

ADコンバータ：MCP3002

(小さくてすいません…)

今回はSPI通信に対応したADコンバータであるMCP3002を使用します。各ピンの機能は以下のようになります。

1	：CS/SHDN	：チップセレクト
2	：CH0	：チャンネル0 アナログ入力
3	：CH1	：チャンネル1 アナログ入力
4	：Vss	：GND
5	：Din	：シリアルデータ入力
6	：Dout	：シリアルデータ出力
7	：CLK	：シリアルクロック
8	：Vdd/Vref	：電源(+2.7V～5.5V)

半固定ボリューム

半固定ボリューム(半固定抵抗器)は、ツマミを回すと抵抗値が変化する部品です。今回は0～10kΩ範囲の抵抗値を可変できる半固定ボリュームを使用します。

オススメの電子工作セット

電子工作をするため、これまで解説した部品の他にもスイッチやセンサなど、色々な部品が必要になってきます。個々で購入するには手間がかかるため、最初はセット品を購入することをおススメします。

電気設計人

私は以下のセット品を購入しました！

リンク

注意

ADコンバータ：MCP3002はこのセット内には入っていませんので、別途購入が必要です。

また、これからラズベリーパイを購入する場合、ラズベリーパイ本体を含めたセット品を購入することをおススメします。

リンク

ラズベリーパイ本体を収めるケースや、OSをインストールするためmicroSDカードなど必要なものを個々に購入する手間を省くことができます。

3. 回路図・配線の様子

ラズベリーパイのプログラム(Python)からADコンバータに接続された半固定ボリュームの値をSPI通信で読み取り、PWM出力でサーボモータの角度を制御する回路を解説します。

回路図

回路図は以下のようになります。

サーボモータの「赤色リード線を5Vピン」「茶色リード線をGNDピン」「オレンジ色リード線をGPIO 18番ポート」に接続します。

ラズベリーパイをADコンバータ(MCP3002)とSPI通信するため、以下のように接続します。

ラズベリーパイのピン	MCP3002のピン	ジャンパ線
SPICS0	CS/SHDN(1番ピン)	白色
SPIMOSI	Din(5番ピン)	黄色
SPIMISO	Dout(6番ピン)	青色
SPISCLK	CLK(7番ピン)	白色

白色が被ってしまいました…ジャンパ線はこの色でなければいけない訳ではありません。

MCP3002と半固定ボリュームを接続する必要があります。今回はMCP3002のCH0(2番ピン)に接続します。(青色のジャンパ線)

3.3VとGNDをMCP3002と半固定ボリュームに各々接続します。(オレンジ色と黒色のジャンパ線)

配線の様子

配線の様子です。こんな感じになりました。

↑では、フラットケーブルでGPIOの全ピンをブレッドボードに接続しています。回路図と実際の配線は異なる部分がありますがご了承ください。

※電気的には「回路図」と同じ意味です。

4. プログラム(Python)

ADコンバータに接続された半固定ボリュームの値をSPI通信で読み取り、PWM出力でサーボモータの角度を制御するプログラム(Python)は以下のようになります。

ソースコード

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import spidev                       #SPI通信用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

#ポート番号の定義
Servo_pin = 18                      #変数"Servo_pin"に18を格納

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(Servo_pin, GPIO.OUT)     #GPIO18を出力モードに設定

#PWMの設定
#サーボモータSG90の周波数は50[Hz]
Servo = GPIO.PWM(Servo_pin, 50)     #GPIO.PWM(ポート番号, 周波数[Hz])
Servo.start(0)                      #Servo.start(デューティ比[0-100%])

#角度からデューティ比を求める関数
def servo_angle(angle):
    duty = 2.5 + (12.0 - 2.5) * (angle + 90) / 180   #角度からデューティ比を求める
    Servo.ChangeDutyCycle(duty)     #デューティ比を変更

#SPI通信を行うための準備
spi = spidev.SpiDev()               #インスタンスを生成
spi.open(0, 0)                      #CE0(24番ピン)を指定
spi.max_speed_hz = 1000000          #転送速度 1MHz

#連続して値を読み込む
while True:
    try:
        resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
        volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
        position = volume / 1023 * 180 - 90            #0～1023を角度(-90～90)に変換
        print(position)                                #位置決めする角度を表示
        servo_angle(position)                          #PWM信号出力(角度は変数"position")
        time.sleep(0.1)                                #0.1秒間待つ

    except KeyboardInterrupt:       #Ctrl+Cキーが押された
        Servo.stop()                #サーボモータをストップ
        GPIO.cleanup()              #GPIOをクリーンアップ
        spi.close()                 #SPI通信を終了
        sys.exit()                  #プログラム終了

SPI通信でADコンバータMCP3002の値を読み取り、PWMのデューティ比に変換してサーボモータの角度を制御します。

プログラムの解説

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import spidev                       #SPI通信用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

2～5行目で今回必要な「モジュール」を宣言します。

#ポート番号の定義
Servo_pin = 18                      #変数"Servo_pin"に18を格納

変数”Servo_pin”に数値を代入します。この数値はGPIOのポート番号として扱い、後からポート番号を変更する場合はこの数値を変更します。

今回はGPIO 18番ポートをサーボモータに使用します。

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(Servo_pin, GPIO.OUT)     #GPIO18を出力モードに設定

GPIOの設定を行います。

GPIO.setmode(GPIO.BCM)は、GPIOをポート番号で扱う方法に設定します。

GPIO.setup(Servo_pin, GPIO.OUT)は、GPIO 18番ポートを出力モードに設定します。

#PWMの設定
#サーボモータSG90の周波数は50[Hz]
Servo = GPIO.PWM(Servo_pin, 50)     #GPIO.PWM(ポート番号, 周波数[Hz])
Servo.start(0)                      #Servo.start(デューティ比[0-100%])

PWM信号を使用する為の設定を行います。

Servo = GPIO.PWM(Servo_pin, 50)は、GPIO 18番ポートを50HzのPWM信号に割り当てます。

Servo.start(0)は、GPIO 18番ポートのPWM信号のデューティ比を0%に出力します。

#角度からデューティ比を求める関数
def servo_angle(angle):
    duty = 2.5 + (12.0 - 2.5) * (angle + 90) / 180   #角度からデューティ比を求める
    Servo.ChangeDutyCycle(duty)     #デューティ比を変更
    time.sleep(0.3)                 #0.3秒間待つ

サーボモータを任意の角度に動作させるためには、角度からデューティ比を計算で求める必要があります。

逐一計算からデューティ比を求めても問題ありませんが、今回は指定された角度を基にPWMサイクルのデューティ比を求める関数を作成します。

今回の関数servo_angle(angle)は、引数(angle)に角度を指定することで、関数内でデューティ比dutyを求めます。

求めたデューティ比は、Servo.ChangeDutyCycle(duty)を用いてGPIO 18番ポートのデューティ比を変更します。

例えば、引数(angle)に”-90”が指定された場合、dutyを求める式により、duty = 2.5になります。SG90はデューティ比を2.5%にすることで約-90°に動作します。

#SPI通信を行うための準備
spi = spidev.SpiDev()               #インスタンスを生成
spi.open(0, 0)                      #CE0(24番ピン)を指定
spi.max_speed_hz = 1000000          #転送速度 1MHz

SPI通信をする準備をします。SpiDev()メソッドはspiという名称でSPI通信をできるようにします。

spi.open(0, 0)は、CE0(24番ピン)に接続したデバイスと通信を開始します。仮にCE1(26番ピン)に接続したデバイスと通信する場合はspi.open(0, 1)と記述します。※今回はCE0(24番ピン)に接続します。

#連続して値を読み込む
while True:
    try:
        resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
        volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
        position = volume / 1023 * 180 - 90            #0～1023を角度(-90～90)に変換
        print(position)                                #位置決めする角度を表示
        servo_angle(position)                          #PWM信号出力(角度は変数"position")
        time.sleep(0.1)                                #0.1秒間待つ

    except KeyboardInterrupt:       #Ctrl+Cキーが押された
        Servo.stop()                #サーボモータをストップ
        GPIO.cleanup()              #GPIOをクリーンアップ
        spi.close()                 #SPI通信を終了
        sys.exit()                  #プログラム終了

「while文」は条件を指定して、その条件が真の時に繰り返し処理を行うものです。

Python

while 条件式:
    繰り返し処理を行うコード

↑の「条件式」にTrueを指定することにより、条件式は常に真となりwhile文は無限に繰り返します。

メモ

無限に繰り返すことを、無限ループと表現したりします。

ただし、このままではプログラム実行中に無限ループから抜け出す方法がありません。そこでwhile文の中にある「try文」と「except文」を使用します。

このtry-except文を用いることにより、while文の処理は以下のようになります。

Python

while True:
    try:
        繰り返し処理を行うコード
    except KeyboardInterrupt:               #Ctrl+Cキーが押された
        Servo.stop()                        #LED点灯をストップ
        GPIO.cleanup()                      #GPIOをクリーンアップ
        spi.close()                         #SPI通信を終了
        sys.exit()                          #プログラム終了

except KeyboardInterrupt:は、キーボードのCtrl + cキーが押された時にwhile文の繰り返し処理から抜けて上記のプログラム終了の処理を行います。

Ctrl + cキーが押されていないとき、try:文の中の処理を繰り返し行います。(以下で解説)

while文の中の「繰り返し処理を行うコード」は以下の通りです。つまり、Ctrl + cキーが押されるまで以下の処理を繰り返します。

    resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
    volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
    position = volume / 1023 * 180 - 90            #0～1023を角度(-90～90)に変換
    print(position)                                #位置決めする角度を表示
    servo_angle(position)                          #PWM信号出力(角度は変数"position")
    time.sleep(0.1)                                #0.1秒間待つ

spi.xfer2([0x68, 0x00])は、ADコンバータMCP3002のCH0(チャンネル0 アナログ入力)のアナログ値を取得します。

MCP3002から取得したデータはresp[0]とresp[1]の2バイトに分かれるため、シフト演算子を用いて変数”volume”にまとめます。

変数”volume”には0～1023の数値が格納されます。サーボモータSG90の制御角度は-90°～90°のため、position = volume / 1023 * 180 - 90で数値の変換を行います。

servo_angle(position)は、変数”position”を引数として20～22行目の関数に渡します。

time.sleep(0.1)は何もせずに0.1秒間待ちます。