Python × Pico 電子工作　｜　#12 サーボモーターを動かそう

今回は SG90 サーボモーター を使って、「角度を数値で指定して位置を決める」 モーター制御の基本を学びます。サーボモーターは 「0° から 180° まで自由な角度に止まるモーター」 で、ロボットアームの関節、ラジコンの舵、自動開閉ドアのレバーなど、「決まった位置に正確に動かしたい場面」 で大活躍する部品です。ラジコンサーボとも呼ばれ、SG90 は世界で最もよく使われる入門用サーボの一つです。

• SG90 サーボの 3 本線（VCC・GND・PWM 信号）の役割
• PWM 50Hz（周期 20ms） と パルス幅 500〜2400μs で角度が決まる仕組み
• 角度を 0°〜180° でリテラル指定する基本ブロック
• 角度に 変数や式 を差し込める pico_servo_angle_val 新ブロック
• #05 の可変抵抗や #09 の超音波センサーと組み合わせた センサー連動制御
• Pico の 3.3V ピンでは電流不足。VBUS(5V) または外部電源 を使う注意

今回は PycoBlocks（MicroPythonモード） の 「モーター」カテゴリ にある「サーボ」 ブロックを使います。角度を 0〜180 の数字で指定するだけ でサーボが回転するシンプルなブロックで、内部では PWM(Pin(15), freq=50) を初期化し duty_u16 値をパルス幅に換算して送る処理が自動で行われます。

SG90 サーボの基礎：仕様と外観

SG90 は青いプラスチックボディに 白いプラスチックホーン（U字型・十字型・円盤型の付属品から選ぶ）が付いた、重さ約 9g・出力 1.8kg・cm の小型サーボです。3 本のリード線（茶=GND・赤=VCC・橙またはオレンジ=PWM 信号）が出ており、コネクタは 2.54mm ピッチの 3 ピンメス。ジャンパーワイヤー（オス→オス）でブレッドボードに繋ぐか、オス→メスのジャンパーで直接 Pico に繋ぎます。

PWM 50Hz の仕組み：パルス幅で角度を決める

サーボの角度は 「PWM 信号のパルス幅（HIGH の長さ）」 で決まります。サーボに送る信号は 「周期 20ms（50Hz）の中で短いパルスを出す」 形で、パルスの幅（HIGH の時間）を変える ことでサーボ内部の電子回路が「今この角度にいなさい」 と判断します。

# PWM 信号の波形イメージ（周期 20ms = 50Hz）
#
#   HIGH ──┐                        ┌─
#         │  幅 W μs               │
#   LOW  └────────────────────────┘
#         |←     20ms 周期       →|
#
# W = 500μs  → 角度 0°
# W = 1500μs → 角度 90°（中央）
# W = 2400μs → 角度 180°
#
# Pico では PWM(Pin(15), freq=50) で周期 20ms (=1/50秒) を作る
# duty_u16 値（0〜65535）= W ÷ 20000 × 65535
#   500μs  → duty_u16 ≈ 1638
#   1500μs → duty_u16 ≈ 4915
#   2400μs → duty_u16 ≈ 7864

PycoBlocks の 「サーボ」ブロック は、この計算を内部で自動的に行います。ユーザーは 「サーボ ピン GP15 を 90 度に回す」 と書くだけで、PWM(Pin(15), freq=50).duty_u16(1638 + 90 × 8192 // 180) という MicroPython コードが生成されます。数式の 1638 は 0° のパルス幅（500μs に相当する duty_u16）、8192 は 180° で増える分（2400 - 500 = 1900μs ≈ 6226 だが SG90 個体差に合わせ少し広め）です。

配線：3 本線をどう繋ぐか

SG90 の 3 本線をそれぞれ正しく繋ぎます。順番を間違えるとサーボが壊れることがあるので慎重に。

ステップ1：サーボを 90° に動かしてみよう

まずは 1 回だけ角度を指定して動かす 基本コードです。「サーボ」ブロック の ピン GP15・角度 90 度 をひとつ置くだけ。実行ボタンを押すと、サーボのホーン（白い羽根）が 中央位置（90°）に瞬時に動いて止まるのが見えます。

from machine import PWM, Pin
_sv = PWM(Pin(15), freq=50)
_sv.duty_u16(int(1638 + 90 * 8192 // 180))

動作確認のコツ：サーボのホーンの初期位置はランダムなので、最初の 1 回目の実行で「ガッ」と中央に動く様子が見えます。2 回目以降は すでに 90° にいる ので動きません。角度を 0、45、135、180 などに変えて再実行 すると、その都度ホーンが該当位置にジャンプします。ホーンに鉛筆を貼り付けて 0/90/180 の位置を分度器で測ってみる と、実際の角度が指定値通りかを確認できます。

ステップ2：0° → 180° を行ったり来たりスイープしよう

サーボらしい動きを見るために、角度を 0° から 180° まで連続的に変えてみます。「変数 a を 0 から 180 まで 10 ずつ繰り返す」 ループの中で、新ブロック 「サーボ角度 a」（角度に変数を差し込めるバージョン）を呼び出します。0.05 秒ごとに 10° ずつ動かす と、ちょうどよい速さでホーンが扇形にスイープする様子が見られます。戻りは 180° → 0°（ステップ -10） のループでもう一度書き、forever でこれを繰り返します。

from machine import PWM, Pin
import utime
while True:
    for a in range(0, 181, 10):
        _sv = PWM(Pin(15), freq=50)
        _sv.duty_u16(int(1638 + max(0, min(180, a)) * 8192 // 180))
        utime.sleep(0.05)
    for a in range(180, -1, -10):
        _sv = PWM(Pin(15), freq=50)
        _sv.duty_u16(int(1638 + max(0, min(180, a)) * 8192 // 180))
        utime.sleep(0.05)

動作確認のコツ：「ジー、ジー」と低い駆動音 が聞こえながら、ホーンが扇のように左右に振れます。動きがカクついたり、途中で止まる 場合は電源不足のサインなので、Pico の VBUS から直接給電 しているか確認してください。スピードを速くしたい なら 0.05 を 0.02 に、ゆっくり動かしたい なら 0.1 に変えて感触を試しましょう。

演習課題

課題3-12-1：角度・パルス幅・duty_u16 の対応表を作ろう

サーボ制御は 「角度 → パルス幅 → duty_u16」 の 3 段階の変換が肝です。公式を整理して、いくつかの角度について計算してみましょう。

パルス幅の式（今回採用）： W [μs] = 500 + 角度 × (2400 - 500) / 180 ≒ 500 + 角度 × 10.56
duty_u16 の式（Pico の PWM 50Hz）： duty_u16 = W ÷ 20000 × 65535 = 1638 + 角度 × 8192 / 180

問1： 角度 0°、45°、90°、135°、180° のとき、それぞれの パルス幅 W [μs] と duty_u16 を求めよ。
問2： duty_u16 = 3000 のとき、サーボはおよそ何度を指すか。
問3： もし freq=100（100Hz、周期 10ms）に変えてしまうと、サーボはどうなるか予想せよ。

# 問1: 角度 → パルス幅 → duty_u16
for a in [0, 45, 90, 135, 180]:
    W = 500 + a * (2400 - 500) / 180
    d = 1638 + a * 8192 // 180
    print(f'{a}° : W={W:.0f}μs / duty_u16={d}')
# 0°   : W=500μs   / duty_u16=1638
# 45°  : W=975μs   / duty_u16=3686
# 90°  : W=1450μs  / duty_u16=5734（=1638+4096）
# 135° : W=1925μs  / duty_u16=7782
# 180° : W=2400μs  / duty_u16=9830（=1638+8192）

# 問2: duty_u16=3000 から角度を逆算
# d = 1638 + a × 8192/180
# a = (3000 - 1638) × 180 / 8192 ≈ 29.9°

# 問3: freq=100Hz に変えると周期は 10ms。
# パルス幅 500〜2400μs はそのままでも、サーボ側は
# 「20ms 周期の信号」を前提に作られているので、
# 動きが不安定になる、唸る、過熱する等の不具合が起きる。
# SG90 は freq=50（=20ms 周期）固定で使うのがルール。

課題3-12-2：可変抵抗ノブでサーボの角度をコントロールしよう

#05 で使った可変抵抗ノブ（ADC：GP26）を回すと、サーボがそれに連動して動く ような直感的なコントローラを作ります。ADC 値（0〜65535）を 「× 180 ÷ 65535」 の式で 0〜180 に変換し、新ブロック 「サーボ角度」 に差し込みます。ロボットアームを手元のつまみで操作するイメージです。

配線追加：サーボ（GP15 + VBUS + GND）に加えて、可変抵抗ノブを3V3・GP26・GND（3 ピン）に繋ぎます。GP15（サーボ）と GP26（ADC）はぶつからない ので安心です。

▶ 模範解答と解説を見る

ブロックの組み合わせ例：

from machine import ADC, PWM, Pin
import utime
_adc26 = ADC(26)
while True:
    pot = _adc26.read_u16()
    _sv = PWM(Pin(15), freq=50)
    _sv.duty_u16(int(1638 + max(0, min(180, pot * 180 / 65535)) * 8192 // 180))
    utime.sleep(0.02)

解説： 動作確認のコツ：ノブを左いっぱい → サーボは 0° に、ノブを右いっぱい → サーボは 180° に、ノブを真ん中 → サーボは 90° に動きます。動きがガクガクする 場合は wait を 0.02 → 0.05 に伸ばすか、ADC 値のスムージング（移動平均：直前 5 回の平均を使う）を加えると滑らかになります。発展：

• 角度範囲を狭める：式を pot × 90 / 65535 + 45 にすると 45°〜135° の範囲のみ動かせる（限られたスペースで使うロボット関節向け）
• 2 つのサーボを同時制御：可変抵抗を 2 個（GP26 と GP27）使って、X軸サーボと Y軸サーボを別々に動かせばパン・チルト雲台が作れる
• 逆向き連動：式を 180 - pot × 180 / 65535 にすると、ノブを右に回すとサーボが左に動く逆連動になる

課題3-12-3：超音波センサーで自動開閉ゲートを作ろう

#09 で使った超音波センサー HC-SR04 と組み合わせて、「20cm 以内に物が近づいたらゲートを開ける」 自動ドアを作ります。距離が 20cm 未満ならサーボ 90°（ゲート開）、それ以上なら 0°（ゲート閉） という条件分岐。実際にレゴブロック等で ホーンの先に小さな板（ゲート） を付ければミニチュア自動ドアの完成です。

配線追加：サーボ（GP15 + VBUS + GND）に加えて、HC-SR04 を3V3・GP2(TRIG)・GP3(ECHO)・GND に繋ぎます。HC-SR04 の標準ピン GP14/GP15 はサーボ（GP15）とぶつかる ので、今回は HC-SR04 を GP2/GP3 に変更しています。HC-SR04 は 5V 動作が標準 ですが、Pico は 3.3V なので#09 で学んだ 3.3V 改造版（VCC=3V3） または 5V 給電＋ECHO に分圧抵抗 のどちらかを選んでください。

▶ 模範解答と解説を見る

ブロックの組み合わせ例：

from machine import Pin, PWM, time_pulse_us
import utime
_trig = Pin(2, Pin.OUT)
_echo = Pin(3, Pin.IN)
while True:
    _trig.value(0); utime.sleep_us(2)
    _trig.value(1); utime.sleep_us(10); _trig.value(0)
    _t = time_pulse_us(_echo, 1, 30000)
    dist = _t / 58 if _t > 0 else -1
    if dist < 20:
        _sv = PWM(Pin(15), freq=50)
        _sv.duty_u16(int(1638 + 90 * 8192 // 180))
    else:
        _sv = PWM(Pin(15), freq=50)
        _sv.duty_u16(int(1638 + 0 * 8192 // 180))
    utime.sleep(0.3)

解説： 動作確認のコツ：手を 20cm 以内に近づけるとサーボがガッと 90° に動いて、離すと元の 0° に戻る挙動を確認しましょう。0.3 秒の wait は HC-SR04 の測定間隔（最小 60ms） とサーボの動作時間（180° で約 0.3 秒） の両方を満たす値です。反応が遅い・チラチラする 場合は wait を 0.5 秒に伸ばしてみてください。発展：

• 段階的にゲートを開ける：dist < 10 → 180°（全開）、dist < 20 → 90°（半開）、else → 0°（閉） の 3 段階制御で、近づくほど大きく開く賢いゲートに進化
• 距離→角度の連続マッピング：angle = 180 - dist × 3（dist=0→180°、dist=60→0°）のように 距離に比例した角度に動かすと、リニアなジェスチャーセンサー風に
• LCD で距離・角度を表示：#08 の I2C LCD を組み合わせて「距離 12 cm / 角度 90°」のような状態表示を加えると、デバッグも楽しい

まとめ

• SG90 サーボ は 3 本線（VCC・GND・PWM）で動く 0〜180° の小型角度制御モーター。
• 角度は PWM 50Hz（周期 20ms）のパルス幅（500〜2400μs） で決まる。Pico の duty_u16 値（1638〜9830） として PWM ブロックに渡される。
• 標準ブロック 「サーボ」 は角度をリテラル指定（0〜180）。今回追加した 「サーボ角度」（_val 版） は変数や計算式を差し込める。
• 電源は VBUS（5V）または外部電源 を使う。3.3V ピンでは電流不足 で Pico がリセットする。外部電源時は 共通グランド を忘れずに。
• 可変抵抗（#05）・超音波センサー（#09）と組み合わせれば、手回しコントローラ・自動開閉ドア・ロボットアーム など多彩な応用が可能。
• ピン衝突に注意：今回は HC-SR04 を GP2/GP3 に変更してサーボ GP15 と分けた。

次の記事は #13「DC モーターを動かそう」。L298N モータードライバを使って、ラジコンカーや扇風機のようにグルグル回り続けるモーターを速度と方向の両方 でコントロールします。