Python × Pico 電子工作　｜　#13 DCモーターを回そう

今回は DC モーター を使って、「ぐるぐる回り続けるモーター」 の制御を学びます。前回 #12 のサーボモーターは 0〜180° の角度を指定して止まる モーターでしたが、DC モーターは 電気を流している間ずっと回り続ける のが特徴。ラジコンカーの車輪・扇風機・電動ドライバー・ミニ四駆 など、「位置決めはせず連続的に回したい」 場面で大活躍します。

ただし DC モーターは Pico の GPIO ピンに直接繋いでは絶対にダメ。GPIO 1 本で流せる電流は最大 16mA 程度ですが、DC モーターは 100mA〜数 A を平気で食べます。そこで 「H ブリッジドライバ」 という「弱い信号で大きな電流を ON/OFF するスイッチ IC」 を間に挟みます。今回使うのは教科書的な定番 L293D（または兄弟チップの L298N）。正転・逆転・速度制御・停止 の 4 つを 3 本の制御線（IN1・IN2・EN）で全部できる優れものです。

• DC モーターの仕組み（電磁石とブラシで連続回転）と GPIO 直結が NG な理由
• L293D（H ブリッジ IC） のピン配置と IN1/IN2/EN 3 線の意味
• H ブリッジで電流方向が反転 → 正転/逆転が切り替わる 仕組み
• EN ピンに PWM を入れて速度を 0〜100% で制御 する方法
• 速度に 変数や式 を差し込める pico_dcmotor_run_val 新ブロック
• 可変抵抗・超音波センサーと組み合わせた センサー連動の自動制御
• ロジック電源・モーター電源・共通グランド の正しい接続

今回は PycoBlocks（MicroPythonモード） の 「モーター」カテゴリ にある「DCモーター」 ブロックを使います。IN1・IN2・EN の 3 ピンを指定 + 速度 0〜100% + 正転/逆転 を選ぶだけで、内部では 方向 2 線への HIGH/LOW 出力と EN ピンへの PWM が自動で組み立てられます。

DC モーターと L293D の基礎

DC モーター は内部に 電磁石（コイル）と永久磁石、ブラシ（接点） を持ち、電気を流すと電磁石の磁界が回転軸を 連続的に押し続ける ことでぐるぐる回ります。電流の向きを反対にすれば、回転方向も反対になるのがポイント。電圧を上げれば回転数が増え、電流が増えればトルク（回す力）が増えます。今回想定するのは 3〜6V 動作の小型ホビーモーター（FA-130 / RE-260 / TT モーター等）です。

L293D は 「2 個の H ブリッジ回路を 1 つの IC に詰めた」 モータードライバ IC。16 ピン DIP パッケージ でブレッドボード実装にぴったりで、1 個で 2 個の DC モーターを独立制御 できます。最大連続電流は 0.6A（瞬間 1.2A）なので、上記の小型ホビーモーターには十分。より強力なモーター（ミニ四駆改造、大型ラジコン）には L298N（最大 2A） やTB6612（より新しく効率良い） を選ぶと良いですが、ピン配置と制御方法はほぼ共通です。

H ブリッジの仕組み：なぜ正転と逆転ができるのか

H ブリッジ とは、「4 つのスイッチを H 字型に配置した回路」。中央のモーターに対して 左上 (S1)・左下 (S2)・右上 (S3)・右下 (S4) の 4 つのスイッチを使い、「どのペアを ON にするかでモーターに流れる電流の向きを反転」 させます。L293D の中には 4 つのトランジスタ（半導体スイッチ） が入っており、外から見ると IN1・IN2 の 2 本 でこの 4 つのスイッチを賢く制御してくれます。

# H ブリッジ回路図（概念図）
#
#                  V+ (モーター電源)
#                  │
#         ┌────────┼────────┐
#         │                 │
#         S1                S3
#         │                 │
#         ├───[ Motor ]─────┤
#         │                 │
#         S2                S4
#         │                 │
#         └────────┬────────┘
#                  │
#                 GND
#
# 正転: S1=ON, S4=ON  → 電流: V+ → S1 → Motor(左→右) → S4 → GND
# 逆転: S3=ON, S2=ON  → 電流: V+ → S3 → Motor(右→左) → S2 → GND
# 停止: 全 OFF または S2=ON+S4=ON（モーター両端を GND ショート）
# 禁止: S1+S2 同時 ON / S3+S4 同時 ON  → 電源ショート！

L293D の制御パターン真理値表：

PycoBlocks の 「DCモーター」ブロック はこのうち「正転 + 速度」 と 「逆転 + 速度」 をプルダウンで選び、「DCモーター停止」ブロック はフリー停止（IN1=IN2=LOW）を出力します。EN ピンには内部で自動的に PWM が出力 され、速度 50% なら duty_u16=32768 が送られます。

配線：L293D とモーターを Pico に繋ぐ

L293D は 16 ピン DIP なのでブレッドボードの中央溝をまたぐように差し込みます。1 番ピン（左上の半円マーク側） から反時計回りに番号が付きます。今回は DC モーター 1 台だけ繋ぐので、L293D の 左半分（1〜8 ピン） を使います。

ステップ1：50% の速度で 2 秒だけ正転させてみよう

まずは 1 回だけ正転・指定時間後に停止 する最小コードです。「DCモーター ピン GP2/GP3/GP4・速度 50%・正転」 ブロックを置き、「2 秒待つ」 → 「DCモーター停止」 の順に並べるだけ。実行ボタンを押すと、モーターが 50% の速度で 2 秒間回転 → 停止 します。

from machine import Pin, PWM
import utime
Pin(2, Pin.OUT).value(1); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
PWM(Pin(4)).duty_u16(32768)
utime.sleep(2)
Pin(2, Pin.OUT).value(0); Pin(3, Pin.OUT).value(0)

動作確認のコツ：モーターのシャフトに マスキングテープを巻いて目印 を付けると回転が見やすくなります。動かない 場合は次を順にチェック：

• 外部電源の電圧と極性（電池がへたっていないか・＋−を逆に挿していないか）
• Vcc1 と Vcc2 の両方 に電源が来ているか（Vcc1=Pico VBUS、Vcc2=外部）
• 共通 GND（Pico GND と外部電源 GND が同じ列に繋がっているか）
• IN1/IN2 の極性（正転は IN1=HIGH, IN2=LOW のはず）

ステップ2：正転 → 停止 → 逆転 → 停止を繰り返そう

DC モーターらしさを見るために 正転と逆転を交互に切り替えてみます。forever ループの中で 「正転 2 秒 → 停止 1 秒 → 逆転 2 秒 → 停止 1 秒」 の 4 段階を並べるだけ。方向プルダウン を 1 つは「正転」、もう 1 つは「逆転」にするのがポイント。後ほど演習 2 では 速度に変数を渡せる新ブロック pico_dcmotor_run_val を使いますが、ここではまず 固定速度のシンプル版 で動作を確認します。

from machine import Pin, PWM
import utime
while True:
    # 正転 60%
    Pin(2, Pin.OUT).value(1); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
    PWM(Pin(4)).duty_u16(39321)
    utime.sleep(2)
    # 停止
    Pin(2, Pin.OUT).value(0); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
    utime.sleep(1)
    # 逆転 60%
    Pin(2, Pin.OUT).value(0); Pin(3, Pin.OUT).value(1)
    PWM(Pin(4)).duty_u16(39321)
    utime.sleep(2)
    # 停止
    Pin(2, Pin.OUT).value(0); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
    utime.sleep(1)

動作確認のコツ：「ウィーン、ウィーン」と低い駆動音 が聞こえながらモーターが両方向に切り替わって回ります。切り替わりの瞬間にカクッと音がする のは、回転中のモーターに逆向きの電流が流れる際の慣性によるもの。急な切り替えは L293D とモーターへの負荷 になるので、実用では 「停止 → 待機 → 逆転」 の順を守ると長持ちします。停止時間を 0.5 秒に縮めてみる と、より機敏な動きになります。

演習課題

課題3-13-1：H ブリッジの真理値表と禁止パターンを整理しよう

H ブリッジの理解を 真理値表 でしっかり固めましょう。L293D の内部にある 4 つのスイッチ（S1〜S4）が IN1/IN2 でどう動くかを考えます。

問1： L293D 内部では 「IN1=HIGH → S1+S4 が ON、IN1=LOW → S1+S4 が OFF」、「IN2=HIGH → S2+S3 が ON、IN2=LOW → S2+S3 が OFF」 のように制御される。次の入力に対して、モーターはどう動くか答えよ。(a) IN1=1, IN2=0 / (b) IN1=0, IN2=1 / (c) IN1=0, IN2=0 / (d) IN1=1, IN2=1
問2： もし回路設計者が誤って 「S1 と S2 を同時に ON」（つまり H ブリッジの左側 2 つを同時に閉じる）してしまうと何が起きるか説明せよ。なぜ L293D は IN1/IN2 という 2 線で制御することでそのミスを起こせなくしているか 考えてみよ。
問3： 速度を EN ピンの PWM duty 比 で変えるのはなぜか。「電圧を直接変える方法」 ではなく PWM を使う理由を、効率と発熱の観点から説明せよ。

# 問1: H ブリッジ真理値表
# (a) IN1=1, IN2=0  → 正転（S1+S4 ON、S2+S3 OFF）
#     電流: V+ → S1 → モーター(左→右) → S4 → GND
# (b) IN1=0, IN2=1  → 逆転（S2+S3 ON、S1+S4 OFF）
#     電流: V+ → S3 → モーター(右→左) → S2 → GND
# (c) IN1=0, IN2=0  → フリー停止（全スイッチ OFF）
#     モーターは惰性で回転を続け、徐々に止まる
# (d) IN1=1, IN2=1  → ブレーキ（S1+S3+S4+S2 全 ON、両端ショート）
#     ※ 実際の L293D では IN1+IN2 同時 HIGH はブレーキ動作（即停止）

# 問2: S1+S2 同時 ON の危険性
# H ブリッジ左側で V+ → S1 → S2 → GND の直結ショート回路が成立。
# 大電流が流れて L293D 内部のトランジスタが焼損する。
# L293D は IN1/IN2 という「2 線で 4 スイッチを制御する」設計のため、
# 同じ列の 2 個（S1+S2 や S3+S4）が同時 ON になるパターン自体を作れない。
# つまりハードウェア的に「ショートが起きないよう」設計されている。

# 問3: なぜ PWM で速度制御するのか
# 方法A（電圧を変える）: 可変抵抗で電圧を 5V→3V に下げると、
#   差分の 2V × 電流 = 大きな熱が抵抗で発生（効率が悪い）。
# 方法B（PWM）: 5V を高速で ON/OFF し、ON 比率で平均電力を変える。
#   スイッチング素子（トランジスタ）は完全 ON または完全 OFF なので
#   発熱がほぼ起きず、効率 90% 以上を実現できる。
# DC モーターはコイル（インダクタ）を含むので、PWM の高速 ON/OFF を
#   電気的に「平均化」して滑らかな回転になる。

課題3-13-2：可変抵抗ノブでモーターの速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、モーターの速度が連動して変わる ような直感的なコントローラを作ります。ADC 値（0〜65535）を 「× 100 ÷ 65535」 の式で 0〜100% に変換し、新ブロック 「DCモーター（速度可変）」 に差し込みます。電動ドライバーのトリガー のような感覚で、握り具合に応じて回転数を調整できます。

配線追加：DC モーター回路（GP2/GP3/GP4 + 外部電源）に加えて、可変抵抗ノブを3V3・GP26・GND（3 ピン）に繋ぎます。DC モーターのピン GP2/3/4 と GP26 はぶつからない ので問題ありません。

▶ 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, Pin, PWM
import utime
_adc26 = ADC(26)
while True:
    pot = _adc26.read_u16()
    Pin(2, Pin.OUT).value(1); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
    PWM(Pin(4)).duty_u16(int(max(0, min(100, pot * 100 / 65535)) * 65535 // 100))
    utime.sleep(0.05)

解説： 動作確認のコツ：ノブを左いっぱい → モーター停止、ノブを右いっぱい → フルスピード、ノブを真ん中 → 50% 速度で回ります。低速時にモーターが回らない 場合は、モーターには 「最低始動電圧」（数字でいうと 20〜30%）があるためで、これより下の duty 比では摩擦に負けて回りません。発展：

• 正逆切替を加える：ノブを中央 50% から左に回したら逆転・右に回したら正転にする。if pot < 32768: 逆転 / else: 正転 の if 文と、speed = abs(pot - 32768) × 100 / 32768 の式を組み合わせる
• ソフトスタート：速度を 0 → 100 を 2 秒 でゆっくり上げる。for s in range(0, 101): モーター速度 s / utime.sleep(0.02)
• 2 個のモーターを左右独立に制御：L293D の右半分（9〜16 ピン）にもう 1 個 DC モーターを繋ぎ、可変抵抗 2 個でラジコンカーの左右タイヤを独立操作する戦車操縦風

課題3-13-3：超音波センサーで障害物検知＆自動停止を作ろう

#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自動で停止する」 安全機能付きラジコン基板を作ります。距離が 20cm 未満なら停止、それ以上なら正転 60% という条件分岐。実際にギアボックスとタイヤを付けたミニロボに搭載すれば 壁にぶつからない自走ロボット になります。

配線追加：DC モーター回路（GP2/GP3/GP4 + 外部電源）に加えて、HC-SR04 をVBUS（5V）・GP14(TRIG)・GP15(ECHO) + 分圧抵抗・GND に繋ぎます。DC モーターのピン GP2/3/4 と HC-SR04 の GP14/15 はぶつからない ので、今回は HC-SR04 の標準ピン構成のまま 使えます（#12 のサーボとは違って衝突回避不要）。HC-SR04 の 5V 動作については #09 の 分圧抵抗（1kΩ + 2kΩ） の解説を参照してください。

▶ 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(14, Pin.OUT)
_echo = Pin(15, 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:
        Pin(2, Pin.OUT).value(0); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
    else:
        Pin(2, Pin.OUT).value(1); Pin(3, Pin.OUT).value(0)
        PWM(Pin(4)).duty_u16(39321)
    utime.sleep(0.2)

解説： 動作確認のコツ：手を 20cm 以内に近づけるとモーターが 「ピタッ」と停止 し、離すと スルスルと回り始める 挙動を確認しましょう。0.2 秒の wait は HC-SR04 の測定間隔（最小 60ms） よりも余裕があり、反応速度と誤検知防止の両方をバランスよく実現します。発展：

• 段階的減速：dist < 10 → 停止、dist < 30 → 30% 速度、else → 100% 速度 の 3 段階制御で、近づくほどゆっくり減速する賢いロボに
• 障害物を避けるロボ：障害物検知時に 逆転で後退 → 一時停止 → 正転再開 を組み合わせ、ぶつかったら自動でバックして方向転換
• LCD で速度・距離を表示：#08 の I2C LCD を組み合わせて「距離 35 cm / 速度 60%」のような状態表示を加える

まとめ

• DC モーター は電流の向きで回転方向、電流の大きさ（PWM duty 比）で速度が決まる 「連続回転モーター」。
• GPIO ピンで直接駆動は不可。L293D（または L298N / TB6612）H ブリッジ IC を間に挟む。
• L293D は IN1 + IN2 + EN の 3 ピン で 1 個の DC モーターを正転・逆転・速度制御・停止 の 4 動作で制御できる。
• 標準ブロック 「DCモーター」 は速度をリテラル指定（0〜100%）。今回追加した 「DCモーター（速度可変）」（_val 版） は変数や計算式を差し込める。
• ロジック電源（Vcc1）は VBUS（5V）、モーター電源（Vcc2）は 外部電源を別に用意。必ず Pico と外部電源の GND を共通 に接続。
• 可変抵抗（#05）・超音波センサー（#09）と組み合わせれば、速度連動コントローラ・障害物回避自走ロボ など実用的な応用が可能。

次の記事は #14「ステッピングモーターを動かそう」。28BYJ-48 + ULN2003 ドライバ を使って、「ステップ単位で正確に角度を刻む」 モーターを制御します。3D プリンタや CNC マシンの心臓部となる、精密制御モーターの世界へ。