格安エンコーダをRaspberry Piで使う

2020.07.11
Raspberry Pi

Amazonにエンコーダ付きDCモータが売っていたので使ってみました。

1. パーツ
2. エンコーダについて
3. プログラム
4. 動作
5. 所感

パーツ

今回の準備したパーツは下記の通りです。

・Raspberry Pi 4

・モータドライバ

・エンコーダ付きDCモータ

エンコーダについて

実はエンコーダを使うのは初めてで、色々と調べました。なんとなく原理は知っていましたが、下記のサイトはイラスト付きでとてもわかり易いと思います。

エンコーダー基礎知識 | 技術解説 | テクノロジー | 旭化成エレクトロニクス (AKM)

インクリメンタル方式とアブソリュート方式 | エンコーダー基礎知識 | 技術解説 | ...

https://www.akm.com/jp/ja/technology/technical-tutorial/basic-knowledge-encoder/type-mechanism-2/

ロータリーエンコーダーには、相対角度を表現するインクリメンタル方式と、絶対角度を表現するアブソリュート方式があります。その原理や仕組み、メリット、デメリットなどを、光学式エンコーダーを用いて分かり易く解説します。旭化成エレクトロニクス株式会社 (AKM) の、エンコーダーに関する技術解説シリーズの第3話です。

回転の方向を知るには前のA相、B相の状態を記録しておいて現在の値と比較する必要があります。

また、角度の計算では1回転当たりのパルス数が必要ですが、今回の場合は3 PPRでした。そして減速比も必要なのですが、何故か書いてなかったので、秋月電子で売っていたギヤードモータを参考にしました。

akizukidenshi.com

ＤＣギヤードモーター　６Ｖ　１：２９８: パーツ一般秋月電子通商-電子部品・ネ...

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-15144/

電子部品,通販,販売,半導体,IC,マイコン,電子工作ＤＣギヤードモーター　６Ｖ　１：２９８秋月電子通商電子部品通信販売

プログラム

import RPi.GPIO as GPIO
import RPi.GPIO as GPIO
import time

pin_a=14
pin_b=15

pin_pwm=2
pin_m1=17
pin_m2=27
pwm=None

prev_data=0
angle=0.
delta=360./(4*3*298)


def main():
    init()

    try:
        while(True):
            motor_cntl()
            time.sleep(0.1)
    except KeyboardInterrupt:
        print ("break")
        GPIO.remove_event_detect(pin_a)
        GPIO.remove_event_detect(pin_b)
        GPIO.cleanup()

def init():
    GPIO.setwarnings(False)
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(pin_a, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
    GPIO.setup(pin_b, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
    
    GPIO.setup(pin_pwm, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(pin_m1, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(pin_m2, GPIO.OUT)
    global pwm, prev_a, prev_b
    pwm=GPIO.PWM(pin_pwm, 100)
    pwm.start(100)

    GPIO.add_event_detect(pin_a, GPIO.BOTH, callback=callback)
    GPIO.add_event_detect(pin_b, GPIO.BOTH, callback=callback)

    GPIO.output(pin_m1, GPIO.LOW)
    GPIO.output(pin_m2, GPIO.HIGH)
    
def motor_cntl():
    global angle

    if angle>180:
        GPIO.output(pin_m1, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(pin_m2, GPIO.LOW)
    elif angle<-180:
        GPIO.output(pin_m1, GPIO.LOW)
        GPIO.output(pin_m2, GPIO.HIGH)   
    
def callback(gpio_pin):
    global angle, prev_data

    current_a=GPIO.input(pin_a)
    current_b=GPIO.input(pin_b)

    encoded=(current_a<<1)|current_b
    sum=(prev_data<<2)|encoded

    print(bin(sum))
    if (sum==0b0010 or sum==0b1011 or sum==0b1101 or sum==0b0100):
        angle+=delta
        print ("plus", gpio_pin, angle)
    elif(sum==0b0001 or sum==0b0111 or sum==0b1110 or sum==0b1000):
        angle-=delta
        print ("minus", gpio_pin, angle)

    prev_data=encoded

if __name__ == "__main__":   
    main()

import RPi.GPIO as GPIO

import time

pin_a=14

pin_b=15

pin_pwm=2

pin_m1=17

pin_m2=27

pwm=None

prev_data=0

angle=0.

delta=360./(4*3*298)

def main():

init()

try:

while(True):

motor_cntl()

time.sleep(0.1)

except KeyboardInterrupt:

print ("break")

GPIO.remove_event_detect(pin_a)

GPIO.remove_event_detect(pin_b)

GPIO.cleanup()

def init():

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(pin_a, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(pin_b, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(pin_pwm, GPIO.OUT)

GPIO.setup(pin_m1, GPIO.OUT)

GPIO.setup(pin_m2, GPIO.OUT)

global pwm, prev_a, prev_b

pwm=GPIO.PWM(pin_pwm, 100)

pwm.start(100)

GPIO.add_event_detect(pin_a, GPIO.BOTH, callback=callback)

GPIO.add_event_detect(pin_b, GPIO.BOTH, callback=callback)

GPIO.output(pin_m1, GPIO.LOW)

GPIO.output(pin_m2, GPIO.HIGH)

def motor_cntl():

global angle

if angle>180:

GPIO.output(pin_m1, GPIO.HIGH)

GPIO.output(pin_m2, GPIO.LOW)

elif angle<-180:

GPIO.output(pin_m1, GPIO.LOW)

GPIO.output(pin_m2, GPIO.HIGH)

def callback(gpio_pin):

global angle, prev_data

current_a=GPIO.input(pin_a)

current_b=GPIO.input(pin_b)

encoded=(current_a<<1)|current_b

sum=(prev_data<<2)|encoded

print(bin(sum))

if (sum==0b0010 or sum==0b1011 or sum==0b1101 or sum==0b0100):

angle+=delta

print ("plus", gpio_pin, angle)

elif(sum==0b0001 or sum==0b0111 or sum==0b1110 or sum==0b1000):

angle-=delta

print ("minus", gpio_pin, angle)

prev_data=encoded

if __name__ == "__main__":

main()

上記プログラムのdeltaが角度計算に使う増加量となっています。減速比は298としています。エンコーダのA相、B相の値はコールバック関数を設定して立ち上がり、もしくは立ち下がり時に角度計算を行うようにします。また、モーターの制御として±180度に達したら回転の向きを逆にします。

モータドライバを使うプログラムについては下記の記事にも記載しています。

Oki-Lab ~Okinawa technology laboratory~

2020.04.30

モータドライバ(TB6612)でPWM

https://www.oki-lab.net/entry/2020-04-30-105842

今まで使用していたモータドライバ "TA7291P"が生産終了予定 (既に買えなくなっているっぽい)なので、他の物を探してみました。TA7291P | ブラシ付きDCモータードライバー | 東芝デバイス＆ストレージ株式会社 | 日本少し探してみてTB6612というのがRaspberry PiやArduinoに使えそうで良さげでした。スタンバイ機能というのもあるみたいです。(多分使わない)電源電圧：VM＝2.5V~13.5VVcc=2.7V~5.5V更に、このドライバを実装したドライブキットがあったので、秋月電子で買ってみました。ＴＢ６６１２使用ＤｕａｌＤＣモータ...

動作

やっとエンコーダ使えるようになった pic.twitter.com/4vV89KfMdD

— Ken@エンジニア投資家 (@Ken_okinawan) July 11, 2020

配線はごちゃごちゃしていますが、ちゃんと動きました。

所感

今回のプログラムを作成した時、最初は正しく動きませんでした。1方向にしか動かしていないのに、向きを計算すると5回に１回くらい逆向きだと判定する事があり、角度も正しく出ませんでした。安物だから壊れてるのかと思ってしまいましたが、実際にはGPIOのセットアップの時にpull_up_down=GPIO.PUD_UPを指定すると安定しました。今まで使ったことが無い設定なので、勉強になりました。

#2021.09.12追記

もう少し便利に使えるようにクラス化しました。

import RPi.GPIO as GPIO

class Encoder:
    def __init__(self,a,b,pwm,m1,m2):
        self.pin_a=a
        self.pin_b=b
        self.pin_pwm=pwm
        self.pin_m1=m1
        self.pin_m2=m2

        self.pwm=None
        self.prev_data=0
        self.angle=0.
        self.delta=360./(45*3*4)

        GPIO.setwarnings(False)
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setup(self.pin_a, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
        GPIO.setup(self.pin_b, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
        
        GPIO.setup(self.pin_pwm, GPIO.OUT)
        GPIO.setup(self.pin_m1, GPIO.OUT)
        GPIO.setup(self.pin_m2, GPIO.OUT)

        self.pwm=GPIO.PWM(self.pin_pwm, 100)
        self.pwm.start(100)

        GPIO.add_event_detect(self.pin_a, GPIO.BOTH, callback=self.callback)
        GPIO.add_event_detect(self.pin_b, GPIO.BOTH, callback=self.callback)

    def callback(self,gpio_pin):
        current_a=GPIO.input(self.pin_a)
        current_b=GPIO.input(self.pin_b)

        encoded=(current_a<<1)|current_b
        sum=(self.prev_data<<2)|encoded

        print (current_a, current_b)
        if (sum==0b0010 or sum==0b1011 or sum==0b1101 or sum==0b0100):
            self.angle+=self.delta
            print ("plus", gpio_pin, self.angle)
        elif(sum==0b0001 or sum==0b0111 or sum==0b1110 or sum==0b1000):
            self.angle-=self.delta
            print ("minus", gpio_pin, self.angle)
            
        self.prev_data=encoded

    def move1(self):
        GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.LOW)

    def move2(self):
        GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.HIGH)

    def stop(self):
        GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.LOW)


    def close(self):
        GPIO.remove_event_detect(self.pin_a)
        GPIO.remove_event_detect(self.pin_b)
        GPIO.cleanup()

import RPi.GPIO as GPIO

class Encoder:

def __init__(self,a,b,pwm,m1,m2):

self.pin_a=a

self.pin_b=b

self.pin_pwm=pwm

self.pin_m1=m1

self.pin_m2=m2

self.pwm=None

self.prev_data=0

self.angle=0.

self.delta=360./(45*3*4)

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(self.pin_a, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(self.pin_b, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.setup(self.pin_pwm, GPIO.OUT)

GPIO.setup(self.pin_m1, GPIO.OUT)

GPIO.setup(self.pin_m2, GPIO.OUT)

self.pwm=GPIO.PWM(self.pin_pwm, 100)

self.pwm.start(100)

GPIO.add_event_detect(self.pin_a, GPIO.BOTH, callback=self.callback)

GPIO.add_event_detect(self.pin_b, GPIO.BOTH, callback=self.callback)

def callback(self,gpio_pin):

current_a=GPIO.input(self.pin_a)

current_b=GPIO.input(self.pin_b)

encoded=(current_a<<1)|current_b

sum=(self.prev_data<<2)|encoded

print (current_a, current_b)

if (sum==0b0010 or sum==0b1011 or sum==0b1101 or sum==0b0100):

self.angle+=self.delta

print ("plus", gpio_pin, self.angle)

elif(sum==0b0001 or sum==0b0111 or sum==0b1110 or sum==0b1000):

self.angle-=self.delta

print ("minus", gpio_pin, self.angle)

self.prev_data=encoded

def move1(self):

GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.HIGH)

GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.LOW)

def move2(self):

GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.LOW)

GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.HIGH)

def stop(self):

GPIO.output(self.pin_m1, GPIO.LOW)

GPIO.output(self.pin_m2, GPIO.LOW)

def close(self):

GPIO.remove_event_detect(self.pin_a)

GPIO.remove_event_detect(self.pin_b)

GPIO.cleanup()

以下のような感じで使えます。

import motor_encoder
import RPi.GPIO as GPIO
import time

m1=None
cnt=0
    

def main():
    global m1

    m1=motor_encoder.Encoder(2,3,22,17,27)
    m1.move1()

    try:
        while(True):
            motor_cntl(m1)
            time.sleep(0.1)
    except KeyboardInterrupt:
        m1.close()

def motor_cntl(m1):
    global cnt

    if cnt==5:
        m1.stop()
        return 0

    if m1.angle>180:
        m1.move1()
        cnt+=1
    elif m1.angle<-180:
        m1.move2() 
        cnt+=1


if __name__ == "__main__":   
    main()

import motor_encoder

import RPi.GPIO as GPIO

import time

m1=None

cnt=0

def main():

global m1

m1=motor_encoder.Encoder(2,3,22,17,27)

m1.move1()

try:

while(True):

motor_cntl(m1)

time.sleep(0.1)

except KeyboardInterrupt:

m1.close()

def motor_cntl(m1):

global cnt

if cnt==5:

m1.stop()

return 0

if m1.angle>180:

m1.move1()

cnt+=1

elif m1.angle<-180:

m1.move2()

cnt+=1

if __name__ == "__main__":

main()

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