PWM

概要

PWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）は、デジタル信号のOn（High）とOff（Low）の比率（デューティサイクル）を変えることで、アナログ的な効果を実現する技術です。電圧のOn/Offを高速で繰り返し、そのOn時間の割合でモーターの回転速度やLEDの輝度を連続的に制御します。

たとえばデューティサイクルが50%（周期の半分がHigh）なら実効電圧は電源電圧の50%相当、25%なら25%相当になります。電気エネルギーをスイッチングで制御するため、リニア方式（抵抗による電圧分圧）と比べて電力損失が少なく高効率です。

マイコン（MCU）のタイマーペリフェラルがPWM波形を自動生成するため、CPUを占有することなく正確なPWM出力が得られます。

歴史・背景

PWM技術自体は1960年代のアナログ回路設計から存在していましたが、マイコンや電力用半導体（MOSFETやIGBT）の普及とともに広く使われるようになりました。

1970〜80年代にはモーターコントローラICが登場し、DCモーターのPWM駆動が一般化しました。1990年代以降はRCサーボモーター制御の標準信号としてPWMが採用され（周波数50Hz・デューティ1〜2ms）、ホビーロボット・無線操縦模型に普及しました。

現代のマイコンは複数の高分解能タイマーを内蔵しており、STM32H7では最大216MHzのタイマークロックと最大32ビット精度のPWM出力が可能です。ブラシレスモーター（BLDC）のFOC（磁束指向制御）・サーボアンプ・スイッチング電源のデジタル制御など、高精度PWMの応用が広がっています。

技術仕様

PWMの基本パラメータ

パラメータ	説明
周波数（Frequency）	1秒間の繰り返し回数（Hz）
周期（Period）	1サイクルの時間 = 1/周波数
デューティサイクル	High時間 / 周期 × 100（%）
分解能（Resolution）	デューティサイクルの最小変化量（ビット数）

用途別の典型的な周波数

用途	周波数	理由
LED調光	100Hz〜1kHz	人間の目のちらつき閾値以上
DCモーター制御	1kHz〜20kHz	可聴域以上でノイズ低減
RCサーボ	50Hz	規格（1〜2ms幅で角度制御）
スイッチング電源	50kHz〜数百kHz	効率と部品サイズのバランス
超音波モーター	20kHz〜100kHz	共振周波数に合わせる

分解能

タイマーのカウント幅とクロックでPWM分解能が決まります：

分解能（ビット） = log2(タイマーカウント最大値)
例：16ビットタイマー（65536カウント）→ 16ビット分解能
実際のデューティステップ = 1 / 65536 ≈ 0.0015%

PWM周波数 = タイマークロック / (プリスケーラ × カウント最大値)
例：72MHz / (1 × 7200) = 10kHz、16ビット精度（7200カウント = 13ビット相当）

動作原理

タイマーによるPWM生成

マイコンのタイマーはカウンタが0からオートリロード値（ARR: Auto-Reload Register）までカウントし、コンペアレジスタ（CCR: Capture/Compare Register）の値と一致したときに出力を反転させます：

カウンタ: 0 → ARR → 0 → ARR → ...（繰り返し）
出力HIGH: カウンタ < CCR のとき（PWMモード1の場合）
出力LOW: カウンタ ≥ CCR のとき
デューティサイクル = CCR / ARR × 100%

// STM32 HALを使ったPWM出力設定と制御

// TIM3チャンネル1でPWM出力（HAL初期化後）
// ARR = 999（1000カウント）、PSC = 71（72MHzのとき → 1MHz/1000 = 1kHz）

// PWM開始
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// デューティサイクル設定（0〜999: 0〜100%）
void set_duty(uint32_t duty_percent) {
    uint32_t ccr = (htim3.Init.Period + 1) * duty_percent / 100;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, ccr);
}

// LED輝度を0%から100%にフェード
for (int d = 0; d <= 100; d++) {
    set_duty(d);
    HAL_Delay(20);  // 20ms × 100ステップ = 2秒でフェード
}

// RCサーボ制御（50Hz、1〜2msパルス幅）
// ARR = 19999（20ms周期）、PSC = 71（1MHz基準）
void servo_set_angle(float angle_deg) {
    // 0度=1ms(1000カウント)、180度=2ms(2000カウント)
    uint32_t ccr = 1000 + (uint32_t)(angle_deg / 180.0f * 1000);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, ccr);
}

相補PWM（Complementary PWM）とデッドタイム

モーターのHブリッジ回路では、上下アームのMOSFETが同時にONになるアーム貫通を防ぐため、相補出力にデッドタイムを挿入します：

通常PWM:        __|‾‾‾|____|‾‾‾|____
相補PWM:        ‾‾|___|‾‾‾‾|___|‾‾‾‾
デッドタイム挿入後:
上アーム:       __|‾|___|‾|__   (立ち下がりを少し遅らせる)
下アーム:       ‾‾|_|‾‾‾|_|‾‾  (立ち上がりを少し遅らせる)

// STM32 高度制御タイマー（TIM1）での相補PWM + デッドタイム設定
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 50;  // デッドタイム（タイマークロック基準）
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);

// CH1とCH1N（相補）の同時出力
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

ソフトウェアPWM

GPIOをソフトウェアでトグルするソフトウェアPWMは、ハードウェアタイマーが不足した場合の代替手段ですが、精度・CPU効率ともに低くなります：

// ソフトウェアPWM（非推奨・参考用）
void soft_pwm(uint8_t duty_percent, uint32_t period_us) {
    uint32_t on_us  = period_us * duty_percent / 100;
    uint32_t off_us = period_us - on_us;
    HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(on_us);
    HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(off_us);
}

用途・ユースケース

PWMが活躍する組み込み用途：

DCモーター速度制御: Hブリッジドライバ（L298N・DRV8833等）とPWMを組み合わせ、電動自動車・産業ロボット・扇風機を制御
サーボモーター: RCサーボは50Hz・パルス幅1〜2msで角度を制御。ロボットアーム・ステアリング制御
LED輝度調光: スマートライト・バックライト制御・インジケーターLED。高周波PWMでちらつきなし
スイッチング電源（SMPS）: DC-DCコンバーター（Buck・Boost・Buck-Boost）のデジタル制御でPWMで出力電圧を調節
ブラシレスモーター（BLDC/PMSM）制御: 三相PWMとFOC（磁束指向制御）で高効率な電動機制御
音声出力: Class-D アンプはPWMで音声信号をスイッチング。スマートスピーカー等に採用

実装・開発のポイント

モーター制御のノイズ対策

高周波PWMはEMI（電磁ノイズ）を発生させます。対策：

ゲート抵抗: MOSFETのゲートに10〜100Ωを挿入してスイッチング速度を緩める
スナバ回路: モーターの逆起電力を吸収するフライバックダイオード
フィルタリング: 出力にLCフィルタを挿入してリップルを低減
Slow/Fast Decayモード: モータードライバICのDecayモード設定でノイズを最適化

アナログ信号への変換（RC積分）

PWM出力をアナログ電圧に変換する簡易方法として、RC積分フィルタが使えます：

PWM出力 ─── R(10kΩ) ─── アナログ出力電圧
                     |
                    C(10μF)
                     |
                    GND

遮断周波数 fc = 1/(2π×R×C) << PWM周波数 にする
例：fc=1.6Hz（10kΩ × 10μF）、PWM=1kHz → 良好な平滑化
ただし出力インピーダンスが高い（バッファアンプが必要）

マルチチャンネル同期PWM

複数チャンネルのPWMを同期させる（位相をそろえる）ことで、3相モーターの制御や複数LEDの同時制御が可能です。STM32では同一タイマーの複数チャンネルが自動的に同期します。

他技術との比較

PWM vs DAC

DAC（デジタル/アナログ変換）は真のアナログ電圧を出力しますが、分解能・速度・コストでPWMと使い分けます：

項目	PWM	DAC
出力品質	フィルタが必要	真のアナログ
応答速度	高い（スイッチング）	中
ノイズ	EMIあり	低い
コスト	ほぼ0（タイマー流用）	DAC回路が必要
分解能	タイマー精度次第	8〜16bit

負荷がインダクタンスを持つモーターや、低周波数で十分なLED調光にはPWMが適しています。高精度アナログ電圧が必要なオーディオやセンサーバイアス設定にはDACが向いています。

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