ArduinoでPWMパワーパックを作ってみた

これは以前作った加減速付きパワーパック
よくあるコンデンサーを利用したものです
滑らかな加速と減速、惰行で徐々に速度が落ちるという優れたものです
ただ、加速と減速が1段階ずつしかなく、抵抗を利用して多段階のものを作ったりしましたが、停止から走り出すまで時間がかかる等不満が残るものでした。

traintrainのPWMコントローラーコンテストでPWMコントローラーを知り挑戦しようと思ったが、電子工作は全くの素人のため断念。
武蔵野電波のブレッドボーダーズでマイコンで簡単にPWMを出力できることを知る。
ArduinoとパワーMOSFETと数点の部品を組み合わせて、下記のような数行のプログラムでPWMコントローラーの完成

int outPin = 9; // 出力はピン9に接続
int analogPin = 3; // アナログピン3に可変抵抗
int val = 0;

void setup() {
}

void loop() {
val = analogRead(analogPin);
// 得たアナログ値を1/4して、0-1023の値を0-255に変換
analogWrite(outPin, val / 4);

}

プログラムも初心者だがこれならなんとかなりそうと、ブレッドボードで実験を繰り返し、機能を追加していく。
ArduinoのPWMをそのまま使用するとピーとモーターが鳴きます。約490Hzぐらい。
YouTubeで鉄道模型からVVVF音を出している動画を見つけ、これに挑戦。
tone()関数で希望の周波数を設定可能だが、duty比は50%固定。そこからマイコン - AVRの機能を調べていった
そして開発にエクセル（表計算）は必須
当然ArduinoからPCにデータを送信してチェックするが全部送るわけにもいかない
数値を1つずつ動かして、思った通りの値になるか検証するにはエクセルに限る

PWMパワーパックの部品配置図
ArduinoにパワーMOSFET
入力に可変抵抗、ロータリースイッチ
表示用に7セグをつけたもの

配線しケースに組み込んだもの
試作品ではロータリースイッチからの入力をダイオードで4bitに変換していたが、配線がすごいことに・・・（これだけで配線12本とダイオードが22個）
抵抗で電圧に変換する方式に変更したが、ロータリースイッチを中途半端な位置にすると2つの接点に導通し思いもよらない操作に　中途半端な数値を排除することでようやく完成

写真左上が電源スイッチ
左下が加減速の早い遅いを調節するダイヤル
その隣が常点灯調整ダイヤル　走り出すところまで回し少し戻す
右の大きいダイヤルがマスコン
右上が方向切り替えスイッチ
そして真ん中がノッチ表示の7セグ

回路図
ソースは以下　もし容量とかの関係で表示されない場合は参考ページを見てください

/*
WEB上で表示されるように"＜"と"＞"を全角に変換しております。
テキストエディタで半角の括弧に置換するか、リンク先からダウンロードして下さい。

商用利用不可。オークションも含む。必ずご一報下さい。
Arduino用パワーパック　ロータリースイッチ抵抗版
*/

#include ＜avr/io.h＞

#define MASCON masconvol( analogRead( 3 ) + 42) // ロータリースイッチ　1～12
#define PWM2A 11 // OCR2A出力はpin11に接続
#define PWM2B 3 // OCR2B出力はpin 3に接続
#define PWM1B 10 // OCR1B出力はpin10に接続
#define PINLIGHT 4 // アナログピン4に常点灯ダイアル
#define PINKASOKU 5 // アナログピン5に加速率ダイアル
#define KASOKU 3 // 加速率　＝　加速率入力　×　3
#define GENSOKU 3 // 1ノッチ以上の減速率　＝　加速率入力　／　GENSOKU

int vvvfpat; // 走行音　0～12
int mascon; // マスコンの位置
int inptmascon; // マスコンの位置入力
int compmascon; // マスコンの位置前回と比較
int light; // 常点灯
int inptkasoku; // 加速率入力
int kasoku; // 加速率
int mode; // 走行状態
// 0 停止
// 1 減速
// 2 惰行
// 3 加速

long notch1; // 各ノッチでの最高速度
long notch2;
long notch3;
long notch4;
long notch5;

long teishisp; // 走行する出力をカットする速度

long sttfrq; // 開始周波数
long endfrq; // 終了周波数
long frq; // 周波数
long sttspd; // 開始スピード
long endspd; // 終了スピード
long spd; // 内部スピード　0～3,000,000（速度×10,000）
long contspd; // 指示スピードl
int i;
int j;
int f;

int mascondata[] = { // 各パターンの各ノッチ位置での最高速度 1ノッチ,2ノッチ,3ノッチ,4ノッチ,5ノッチ
20, 40, 60, 80, 130, // 0 パターン 1
20, 40, 60, 80, 130, // 1 パターン 2
20, 40, 60, 80, 130, // 2 パターン 3
5, 20, 40, 60, 100, // 3 パターン 4
20, 40, 60, 80, 130, // 4 パターン 5
20, 40, 60, 80, 130, // 5 パターン 6
40, 80, 120, 200, 300, // 6 パターン 7　新幹線用
40, 80, 120, 200, 300, // 7 パターン 8　新幹線用
40, 80, 120, 200, 300, // 8 パターン 9　新幹線用
20, 40, 60, 80, 130, // 9 パターン10
20, 40, 60, 80, 130, //10 パターン11
20, 40, 60, 80, 130 //11 パターン12
};

int teishi[] = { //走行用の出力を止める速度　速度×10　ピタッと止めるため
49, // 0 パターン 1
49, // 1 パターン 2
49, // 2 パターン 3
49, // 3 パターン 4
20, // 4 パターン 5
49, // 5 パターン 6
29, // 6 パターン 7 新幹線はギヤ比が高いため大きくするとガクンと止まるため
29, // 7 パターン 8
29, // 8 パターン 9
49, // 9 パターン10
49, //10 パターン11
49, //11 パターン12
};

int data[] = {
//　設定可能周波数　123Hz～8000kHz DUTY比の分解能確保のため30kHzぐらいを上限 整数に限る
//　音を出す場合必ず2段階以上入力すること　減速時1段階目音を止めるため

// パターン1の場合
// 1行目　速度0～ 7 1,800Hzで音程変化なし
// 2行目　速度8～18のあいだで 500Hzから1,800Hzまで変化する
// 例えば1,800Hzから500Hzとかにすれば幽霊インバーターも設定可能

//0 パターン1 223系2000番台
1800, 1800, 7, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 1800, 18, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 750, 30, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
600, 800, 40, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
550, 600, 50, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
250, 700, 120, // 6 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 7 終了コード

//1 パターン2 京急1000
300, 300, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
350, 350, 11, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
392, 392, 12, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
440, 440, 13, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
466, 466, 14, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
523, 523, 15, // 6 開始周波数　終了周波数　切替スピード
587, 587, 16, // 7 開始周波数　終了周波数　切替スピード
622, 622, 17, // 8 開始周波数　終了周波数　切替スピード
698, 698, 18, // 9 開始周波数　終了周波数　切替スピード
783, 783, 19, //10 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 900, 35, //11 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 1000, 37, //12 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 1000, 40, //13 開始周波数　終了周波数　切替スピード
300, 500, 100, //14 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, //15 終了コード

//2 パターン3 207系　223系0番台　281系はるか
800, 800, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
380, 900, 30, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 750, 40, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 800, 80, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
800, 800, 100, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 6 終了コード

//3 パターン4 DL
130, 140, 5, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
140, 200, 50, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
150, 190, 100, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 4 終了コード

//4 パターン5 221系
150, 200, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
200, 1000, 100, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 3 終了コード

//5 パターン6 EF210
600, 600, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
600, 600, 20, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
400, 800, 40, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
800, 800, 100, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 5 終了コード

//6 パターン7 223系2000番台
1800, 1800, 7, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 1800, 18, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 750, 30, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
600, 800, 40, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
550, 600, 50, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
250, 700, 120, // 6 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 7 終了コード

//7 パターン8 京急1000
300, 300, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
350, 350, 11, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
392, 392, 12, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
440, 440, 13, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
466, 466, 14, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
523, 523, 15, // 6 開始周波数　終了周波数　切替スピード
587, 587, 16, // 7 開始周波数　終了周波数　切替スピード
622, 622, 17, // 8 開始周波数　終了周波数　切替スピード
698, 698, 18, // 9 開始周波数　終了周波数　切替スピード
783, 783, 19, //10 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 900, 35, //11 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 1000, 37, //12 開始周波数　終了周波数　切替スピード
900, 1000, 40, //13 開始周波数　終了周波数　切替スピード
300, 500, 100, //14 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, //15 終了コード

//8 パターン9 207系　223系0番台　281系はるか
800, 800, 10, // 1 開始周波数　終了周波数　切替スピード
380, 900, 30, // 2 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 750, 40, // 3 開始周波数　終了周波数　切替スピード
500, 800, 80, // 4 開始周波数　終了周波数　切替スピード
800, 800, 100, // 5 開始周波数　終了周波数　切替スピード
-1, // 6 終了コード

//9 パターン10
-1, // 1 終了コード

//10 パターン11
-1, // 1 終了コード

//11 パターン12
-1 // 1 終了コード
};

int datanum[12] = { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };

byte font[16] = { // 7segの表示パターン
0b00111111, //0
0b00000110, //1
0b01011011, //2
0b01001111, //3
0b01100110, //4
0b01101101, //5
0b01111101, //6
0b00100111, //7
0b01111111, //8
0b01101111, //9
0b01110111, //A
0b01111100, //b
0b00111001, //C
0b00111110, //d
0b01111001, //E
0b01110001 //F
};

int masconvol(int vol){ // マスコン位置検出

// 0～1023の入力を12段階に分ける　さらに3段階に分けて真ん中の時だけ採用
// 中途半端な位置の時にでたらめな入力になるので

int a;
if ( (vol * 10 / 284) % 3 == 1 ){
a = 13 - vol / 85;
} else {
a = 0;
}
return a;
}

// 1 非常
// 2 減速5
// 3 減速4
// 4 減速3
// 5 減速2
// 6 減速1
// 7 惰行
// 8 ノッチ1
// 9 ノッチ2
//10 ノッチ3
//11 ノッチ4
//12 ノッチ5

byte wnum;

//アノードコモン
void swrite(byte num){

byte a;

if( f == 1 ){ //1桁目
f = 0;
digitalWrite( 2, HIGH);
digitalWrite( 4, HIGH);

if( num ＞= 16){
num = num % 16;
}

a = font[num];

PORTD = (~( a ＜＜ 5 )) & (PORTD | B11100000); // 7seg表示のポートが連続していないための処理
PORTB = ((((~( a ＞＞ 3 )) | B11111100 )) & ((~( a ＞＞ 1 )) | B11001111 )) & (PORTB | B00110011);

digitalWrite( 2, LOW);

} else { //2桁目
f = f++;

digitalWrite( 2, HIGH);
digitalWrite( 4, HIGH);

num = num / 16;

if( num == 0){ //ゼロサプレス
a = 0;
} else {
a = font[num];
}

PORTD = (~( a ＜＜ 5 )) & (PORTD | B11100000);
PORTB = ((((~( a ＞＞ 3 )) | B11111100 )) & ((~( a ＞＞ 1 )) | B11001111 )) & (PORTB | B00110011);

digitalWrite( 4, LOW);


}


}

void setup(){

// PWM PIN設定
pinMode(PWM2A, OUTPUT);
pinMode(PWM2B, OUTPUT);
pinMode(PWM1B, OUTPUT);

// 7SEG PIN設定
pinMode( 2, OUTPUT);
pinMode( 4, OUTPUT);
pinMode( 5, OUTPUT);
pinMode( 6, OUTPUT);
pinMode( 7, OUTPUT);
pinMode( 8, OUTPUT);
pinMode( 9, OUTPUT);
pinMode( 12, OUTPUT);
pinMode( 13, OUTPUT);

// 走行音パターン各開始位置取得
int n;
int m = 0;

for ( n = 1; n ＜= 11; n++ ){
while ( data[m] != -1 ){
m++;
}

m++;
datanum[n] = m;
}

// 走行音パターン取得注意喚起
i = 0;
while ( i ＜ 3 ){
i++;

j = 0;
while ( j ＜ 10000){
j++;
swrite( 0x88 );
}

digitalWrite( 2, HIGH);
digitalWrite( 4, HIGH);
delay(100);

}

delay(100);

// 走行音パターン取得　しばらくロータリースイッチを動かさないとその位置で決定
do{
j = 0;
while ( j ＜ 1000){
j++;
inptmascon = MASCON;
if ( mascon != inptmascon ){
j = 0;
mascon = inptmascon;
}
if( mascon ＞ 9){
swrite( mascon + 6 );
} else {
swrite( mascon );
}
delay( 1);
}

} while ( mascon == 0 || mascon ＞ 12);

// 走行音パターンほか選択したパターンに合わせて設定

vvvfpat = mascon - 1;

notch1 = (long)mascondata[vvvfpat * 5] * 10000 - 1;
notch2 = (long)mascondata[vvvfpat * 5 + 1] * 10000 - 1;
notch3 = (long)mascondata[vvvfpat * 5 + 2] * 10000 - 1;
notch4 = (long)mascondata[vvvfpat * 5 + 3] * 10000 - 1;
notch5 = (long)mascondata[vvvfpat * 5 + 4] * 10000 - 1;

teishisp = (long)teishi[vvvfpat] * 1000 - 1;

// 決定したパターンを点滅表示

i = 0;
while ( i ＜ 3 ){
i++;

j = 0;
while ( j ＜ 10000){
j++;
if(mascon ＞ 9){
swrite( mascon + 6 );
} else {
swrite( mascon );
}
}
digitalWrite( 2, HIGH);
digitalWrite( 4, HIGH);
delay(200);

}

// マスコン位置を惰行か減速にしてもらう注意喚起　急に走り出さないようにするため

mascon = MASCON;
while ( mascon == 0 || mascon ＞ 7 ){

j = 0;
while ( j ＜ 10000){
j++;
swrite( 0xBB );
}

digitalWrite( 2, HIGH);
digitalWrite( 4, HIGH);
delay( 100);
mascon = MASCON;

}
}

void loop(){

inptkasoku = analogRead(PINKASOKU)/128+1; // analogRead 0～1023 → 1～8
light = analogRead(PINLIGHT )/8; // analogRead 0～1023 → 0～127

inptmascon = MASCON;

if ( inptmascon ＞ 0 && inptmascon ＜ 13 ){
if ( compmascon == inptmascon ){
mascon = inptmascon;
} else if ( compmascon ＞ inptmascon ){
compmascon--;
} else if ( compmascon ＜ inptmascon ){
compmascon++;
}
}

switch ( mascon ){
case 1:
// 非常
contspd = 0;
spd = 0;
mode = 0;
wnum = 0xe;
break;

case 2:
// 減速5
contspd = 0;
kasoku = inptkasoku * 5;
mode = 1;
wnum = 0xb5;
break;

case 3:
// 減速4
contspd = 0;
kasoku = inptkasoku * 4;
mode = 1;
wnum = 0xb4;
break;

case 4:
// 減速3
contspd = 0;
kasoku = inptkasoku * 3;
mode = 1;
wnum = 0xb3;
break;

case 5:
// 減速2
contspd = 0;
kasoku = inptkasoku * 2;
mode = 1;
wnum = 0xb2;
break;

case 6:
// 減速1
contspd = 0;
kasoku = inptkasoku * 1;
mode = 1;
wnum = 0xb1;
break;

case 7:
// 惰行
kasoku = 0;
contspd = spd;

// kasoku = inptkasoku ; 惰行で速度を落とす場合
// contspd = 0;
mode = 2;
wnum = 0;
break;

case 8:
// ノッチ1
contspd = notch1;
kasoku = inptkasoku * KASOKU;
mode = 3;
wnum = 1;
break;

case 9:
// ノッチ2
contspd = notch2;
kasoku = inptkasoku * KASOKU;
mode = 3;
wnum = 2;
break;

case 10:
// ノッチ3
contspd = notch3;
kasoku = inptkasoku * KASOKU;
mode = 3;
wnum = 3;
break;

case 11:
// ノッチ4
contspd = notch4;
kasoku = inptkasoku * KASOKU;
mode = 3;
wnum = 4;
break;

case 12:
// ノッチ5
contspd = notch5;
kasoku = inptkasoku * KASOKU;
mode = 3;
wnum = 5;
break;
}

for ( j = 0; j ＜ 200; j++ ){ // チャタリング防止ループ

swrite( wnum );

if ( spd ＜ contspd ){
if ( contspd - spd ＜= kasoku ){
spd = contspd;
} else {
spd = spd + kasoku;
}
}

if ( spd ＞ contspd ){
if ( mascon ＞= 7 ){
if ( spd - contspd ＜= kasoku / GENSOKU ){
spd = contspd;
} else {
spd = spd - kasoku / GENSOKU;
}
} else {
if ( spd - contspd ＜= kasoku ){
spd = contspd;
} else {
spd = spd - kasoku;
}
}
}

if ( spd ＜ teishisp && mascon ＜ 8 ){
spd = 0;
mode = 0;
}

OCR2A = 255 - light; // 走行時の常点灯 PWM DUTY比 周波数は31kHz CPU周波数/2/分周256 Aはこの数値からTOP255がDUTY比
OCR2B = (int)(spd / ( 7680 + spd / 390 )); //走行用出力　SPD / 128 / 4 / 10 / DUTY比 ( 1.5 + speed / 390)

for ( i = 0; ;i = i + 3){

sttfrq = data[datanum[vvvfpat] + i];
endfrq = data[datanum[vvvfpat] + i + 1];

if( i == 0 ){
sttspd = 0;
} else {
sttspd = data[datanum[vvvfpat] + i - 1];
}

endspd = data[datanum[vvvfpat] + i + 2];

if ( i == 0 && sttfrq == -1 ){ //走行音が設定されていない場合の処理
OCR1A = 421; //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq 19000 = 421
OCR1B = 421 - 421 * (word)light / 245 ; //　音を出すPWMのDUTY比　
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001;
TCCR2A = B00100001;
break;
}

// 停止時　音停止

if ( mode == 0 ) {
OCR1A = 421; //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq 19000 = 421
OCR1B = 421 - 421 * (word)light / 255 ; //　音を出すPWMのDUTY比　
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001;
TCCR2A = B00000001; //PWM 2A（常点灯部分　代わりに1Bで常点灯出力　19kHzで出力したいから）と2B停止

break;
}

// 減速のとき1段階目の音停止

if ( i == 0 && spd ＜= endspd * 10000 && mode == 1 ) {
OCR1A = 421; //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq 19000 = 421
OCR1B = 421 - 421 * (word)light / 255 ; //　音を出すPWMのDUTY比　
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001;
TCCR2A = B00100001; //PWM 2A停止（常点灯部分　代わりに1Bで常点灯出力） 2B出力

break;
}

// 惰行　vvvf音停止

if ( mode == 2 ){
OCR1A = 421; //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq 19000 = 421
OCR1B = 421 - 421 * (word)light / 245 ; //　音を出すPWMのDUTY比　
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001;
TCCR2A = B00100001; //PWM 2A停止（常点灯部分　代わりに1Bで常点灯出力） 2B出力

break;
}

// 高速時　vvvf音停止

if ( sttfrq == -1 ){
frq = 31500;
OCR1A = (word)(8000000 / frq); //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq
OCR1B = (word)(8000000 / frq - 8000000 / frq / 99); //　音を出すPWMのDUTY比　100/99 = 1%
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001; //PWM 2A/2B 分周1
TCCR2A = B11100001; //PWM 2A/2B 出力

break;
}

// VVVF音

if ( ( spd ＞= sttspd * 10000 ) && ( spd ＜ endspd * 10000)){
frq = ( endfrq * 10 - sttfrq * 10 ) / ( endspd - sttspd ) * ( spd - sttspd * 10000 ) / 100000 + sttfrq;

if ( frq ＜ 123 ){
frq = 123;
} else if ( frq ＞ 31500 ) {
frq = 31500;
}

OCR1A = (word)(8000000 / frq); //　TOP値 = CPUの動作周波数 / 2 / 分周 / 希望周波数 = 16,000,000 / 2 / 1 / frq
OCR1B = (word)(8000000 / frq - 8000000 / frq / 15); //　音を出すPWMのDUTY比　100/15 = 6.6%
TCCR1B = B00010001;
TCCR1A = B00110001;
TCCR2B = B00000001; //PWM 2A/2B 分周1
TCCR2A = B11100001; //PWM 2A/2B 出力

break;
}
}

}

}