第 14 章　PWM と速度制御¶

第 13 章でモータを動かせるようになったので、速度制御 の中核技術である PWM（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）を扱います。LED の明るさ調整、モータの速度制御、サーボの位置指令 — 多くのアクチュエータ制御が PWM で動いています。

代表ボード：Arduino Uno R3

この章で起こしやすい失敗

モータドライバ IC の過熱（高すぎる PWM 周波数でスイッチング損失増）
マイコンのハング（ソフト PWM での割り込み濫用）
LED のちらつき（低すぎる PWM 周波数）
モータからの不快な「キーン」音（可聴域の PWM 周波数）

この章のゴール¶

PWM の原理（Duty 比、周波数）を説明できる
ハードウェア PWM と ソフトウェア PWM の違いを理解し選び分ける
モータ／LED それぞれに適した PWM 周波数 を決められる
analogWrite() が内部で何をしているかを理解する

1. 動機：連続値の出力を「オン/オフの比率」で作る¶

マイコンの GPIO は HIGH か LOW かの 2 値 しか出せません。DAC（デジタル-アナログ変換器）があれば中間の電圧を出せますが、Arduino Uno には DAC がありません。

では「LED を半分の明るさにしたい」「モータを 60% の速度で回したい」をどう実現するか。答えは:

HIGH と LOW を高速で切り替え、平均電圧を調整する

これが PWM です。

2. PWM の基本：Duty 比と周波数¶

PWM の Duty 比と平均電圧

2.1 Duty 比¶

1 周期（T）のうち、HIGH の時間（t_on）の割合。

\[ \text{Duty} = \frac{t_{on}}{T} \times 100\% \]

Duty 0%：常に LOW（平均 0V）
Duty 50%：HIGH と LOW が半分ずつ（平均 2.5V）
Duty 100%：常に HIGH（平均 5V）

負荷にかかる 平均電圧 は Duty に比例します。負荷が十分に遅い（LED の人間の目、モータの機械的慣性）場合、この平均電圧で動作するように見えます。

2.2 周波数¶

1 秒間に何回の周期があるか。Arduino Uno のデフォルト PWM 周波数:

D3, D9, D10, D11：約 490 Hz（Timer2, Timer1）
D5, D6：約 980 Hz（Timer0、delay() / millis() と共用）

PWM 周波数は負荷の特性で選びます（§4 参照）。

3. Arduino の `analogWrite()` の中身¶

analogWrite(pin, value);   // value: 0-255

これは「Duty = value / 255 × 100% の PWM を、指定ピンから連続して出す」命令です。analogWrite(pin, 127) は Duty 約 50%。

3.1 実体はハードウェア PWM¶

Arduino Uno 上で analogWrite を呼ぶと、ATmega328P の ハードウェアタイマ（Timer0/½）が自動的に設定され、CPU を使わずに連続して PWM を出し続けます。関数呼び出し後は loop() の他の処理を続けても PWM は止まりません。

3.2 使えるピンが限られている理由¶

PWM 出力はタイマと結びついています。Arduino Uno（ATmega328P）には 3 つのタイマ（Timer0/½）があり、それぞれが 2 ピンを担当します:

Timer0：D5, D6（millis(), delay() と共用）
Timer1：D9, D10（16-bit、サーボライブラリも使う）
Timer2：D3, D11（Tone ライブラリも使う）

合計 6 本の PWM 出力ピン（D3, D5, D6, D9, D10, D11）。他のピンでは analogWrite は使えません。

4. PWM 周波数の選び方¶

負荷の種類で最適値が変わります。

4.1 LED¶

最低 100 Hz 以上（人の目でちらつきを感じない）
Arduino デフォルト（490 / 980 Hz）で十分
ちらつきが気になるのは、視線を素早く動かしたとき に線状の軌跡が見える場面（「フリッカー」と呼ばれる）

4.2 DC モータ¶

1 kHz 以上（可聴域 20 Hz〜20 kHz の下限近くを避ける）
Arduino デフォルト 490 Hz は 耳に聞こえる「キーン」音 が出やすい → D5 or D6（980 Hz）を使うと改善
20 kHz 以上（超音波域）にすれば完全に聞こえないが、MOSFET のスイッチング損失が増え、ドライバ IC が発熱する

DC モータの PWM は 1〜5 kHz がスイートスポット

可聴域を超えすぎると効率が落ちる、低すぎると音が聞こえる。1〜5 kHz が多くのモータドライバ IC とモータで両立できる範囲です。 Arduino の analogWrite の 980 Hz は下限ギリギリですが、小型モータ用途では実用上問題ありません。

4.3 スイッチング電源・DC-DC 用途¶

数十 kHz 〜数百 kHz が標準
これは Arduino の analogWrite の範囲外。専用 PWM コントローラや別マイコンが必要

4.4 サーボモータ¶

50 Hz（周期 20 ms）固定、かつ HIGH 時間が 1〜2 ms
これは PWM というより「パルス位置変調」に近い制御
Arduino は Servo ライブラリで別途実装される（詳細は第 15 章）

5. ハードウェア PWM vs ソフトウェア PWM¶

5.1 ハードウェア PWM¶

analogWrite で使われる。タイマ回路が自動で PWM を生成。

長所：CPU を使わない、ジッタがない、高精度
短所：使えるピンが限られる（Arduino Uno で 6 本）、周波数の設定が自由に変えられない（タイマレジスタ操作が必要）

5.2 ソフトウェア PWM¶

コード内で digitalWrite を高速に切り替えて PWM を再現する方式。

// ソフトウェア PWM の例（非推奨の書き方）
const int LED_PIN = 2;  // PWM 非対応ピン
int duty = 128;         // 0-255

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(duty * 10);   // HIGH 時間
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delayMicroseconds((255 - duty) * 10);  // LOW 時間
}

長所：任意のピンで PWM を作れる
短所：CPU が PWM を回している間、他の処理ができない（ジッタ、ブロッキング）
割り込みで実装すれば他の処理と並行できますが、設計が複雑

5.3 本書の指針¶

まず analogWrite を使う（PWM 対応ピンの範囲で設計）
ピン数が足りない場合のみ、専用の PWM 拡張ボード（PCA9685 など）を使う
ソフトウェア PWM は最後の手段

6. 正しい使い方：DC モータの速度制御¶

// 配線は第 13 章と同じ（DRV8835 経由）

const int IN1_PIN = 9;   // PWM 対応
const int IN2_PIN = 8;

void setMotor(int speed) {
  if (speed > 0) {
    analogWrite(IN1_PIN, speed);
    digitalWrite(IN2_PIN, LOW);
  } else if (speed < 0) {
    digitalWrite(IN1_PIN, LOW);
    analogWrite(IN2_PIN, -speed);
  } else {
    digitalWrite(IN1_PIN, LOW);
    digitalWrite(IN2_PIN, LOW);
  }
}

void setup() {
  pinMode(IN1_PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN2_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 0〜255 で徐々に加速
  for (int s = 0; s <= 255; s += 5) {
    setMotor(s);
    Serial.print("speed = ");
    Serial.println(s);
    delay(100);
  }
  // 停止
  setMotor(0);
  delay(1000);

  // 減速しながら逆転
  for (int s = 0; s >= -255; s -= 5) {
    setMotor(s);
    delay(100);
  }
  setMotor(0);
  delay(1000);
}

6.1 デッドバンドへの対処¶

小型モータでは Duty が低すぎる（30〜50 程度）と摩擦で回らないことがあります。最低 Duty を設けて、起動時だけ高 Duty でキックする 制御が実用的です。

void setMotorWithDeadband(int speed) {
  const int MIN_DUTY = 60;  // 個体で調整、回り始める最低値
  if (speed == 0) {
    setMotor(0);
    return;
  }
  int adjusted;
  if (speed > 0) {
    adjusted = map(speed, 1, 255, MIN_DUTY, 255);
  } else {
    adjusted = -map(-speed, 1, 255, MIN_DUTY, 255);
  }
  setMotor(adjusted);
}

7. 動作確認チェックリスト¶

7.1 PWM 出力の確認¶

analogWrite(pin, 128) を実行後、テスタの DCV モードで 約 2.5V が測れる（テスタは平均値を表示する）
Duty 0 / 64 / 128 / 192 / 255 で、電圧が 線形に変化する（0 / 1.25 / 2.5 / 3.75 / 5.0 V）

7.2 モータ速度の確認¶

低 Duty（20 程度）で回らない → デッドバンド対策（§6.1）
中 Duty（128）でスムーズに回転
高 Duty（255）でフルスピード
モータからの 可聴音が許容範囲（気になるなら 980 Hz ピンに変更）

7.3 発熱の確認¶

モータドライバ IC の温度（第 8 章 §5 の手かざし判定）
モータ本体の温度（長時間動作後）

8. よくあるトラブル FAQ¶

analogWrite してもモータが回らない

PWM 非対応ピンを使っている：D2, D4, D7, D8 等は PWM 不可。D3, D5, D6, D9, D10, D11 を使う
Duty が低すぎる（デッドバンド）：§6.1 の対策
配線確認（第 13 章 §6）

モータから「キーン」という高音がする

PWM 周波数が可聴域。 - D5 or D6（980 Hz）に配線を変える（低周波はもっと聞こえやすい） - より高い周波数（20 kHz など）に設定したい場合、タイマレジスタ直接操作（上級）or PCA9685 等を使う

LED がちらついて見える

視線を動かしたときだけちらつく → PWM 周波数を 500 Hz 以上に（Arduino デフォルトで対応）
常時ちらつく → 電源が不安定、第 9 章 §5 の VCC 測定を試す

delay() が効かなくなった

Timer0 を使うライブラリ（millis, delay, tone, Servo など）の干渉。 - Timer0 は millis() 用に予約されている。D5, D6 の PWM は使えるが、タイマ設定を変更しないこと - Servo ライブラリは Timer1 を使うので、D9, D10 の PWM が効かなくなる。その場合は D5, D6, D3, D11 を使う

6 ピンでは PWM 出力が足りない

PCA9685（I2C PWM ドライバ） を使う：16 チャンネルの PWM を I2C 経由で追加可能
ESP32 / RP2040 を使う：内蔵 PWM 出力が多い（ESP32 なら LEDC で 16 ch、RP2040 は 16 ピン）

9. 次章への橋渡し¶

PWM の基本と DC モータ速度制御が押さえられたので、次は 位置制御 を扱います。

次の第 15 章「サーボモータ」は、PWM の特殊形（50Hz 周期 + 1〜2ms のパルス幅）を使って、指令角度で位置を決める サーボモータの制御方法を扱います。Arduino の Servo ライブラリが内部で何をしているかも含めて解説します。

第 14 章 PWM と速度制御¶