Day 15: FOC実装編(2) 電流センシング（触覚）の実装

FOC（ベクトル制御）の実装プロジェクト、第15日目です。
前回（Day 14）は、SVPWM（空間ベクトル変調）の実装により、STM32から任意の電圧ベクトルを出力することに成功しました。これは人間で言えば、脳からの指令を手足に伝える「運動神経」が繋がった状態です。

今回は、その対となる 「電流センシング」 の実装です。
モーターのコイルに実際にどれだけの電流が流れているかを正確にフィードバックすることは、ロボットが負荷や反力を感じる「触覚」の実装に等しく、FOCの制御ループを閉じるための最重要工程となります。

1. 今回のミッション：マイクロ秒の静寂を狙う

FOCにおける電流計測は、単に HAL_ADC_Start() を呼べば良いというものではありません。インバータ回路特有の過酷なノイズ環境下で、正確なアナログ値を取得する必要があります。

PWM制御されたインバータは、高速でスイッチング（ON/OFF）を繰り返しています。スイッチングの瞬間（エッジ）には強烈なリンギングノイズが発生するため、このタイミングでAD変換を行うとデータは使い物になりません。
したがって、「スイッチングノイズが収まり、かつ電流が安定して流れている一瞬の静寂」 をマイクロ秒単位で狙い撃ちする必要があります。

本日の目標は以下の通りです。

1. ローサイド・シャント抵抗方式における「計測可能なタイミング」を理論的に特定する。
2. STM32のタイマー設定（PWM Mode 2）を駆使し、そのタイミングで自動的にADCを起動させる。
3. オシロスコープと内部カウンタ値を用いて、同期タイミングが完璧であることを証明する。

2. 理論：どこで測るべきか？

ハードウェア構成：ローサイド・シャント方式

今回の回路構成は、インバータの下側アーム（GND側）に電流検出用のシャント抵抗を配置する 「ローサイド・シャント方式」 です。

この方式には物理的な制約があります。シャント抵抗にモータ電流が流れるのは、「下側のFETがONになっている時」 だけです。
インバータの動作原理上、上側FETと下側FETは相補的に動作します（デッドタイムを除く）。
つまり、PWM信号（上側FET駆動信号）が LOW の期間だけ、下側FETがONになり、シャント抵抗に電流が流れます。

理想の計測ポイント

PWM信号がLOWの期間中ならいつでも良いわけではありません。
LOWに落ちた直後や、HIGHに上がる直前はスイッチングノイズが含まれます。最も電流波形が安定し、かつPWMのDuty比が変化しても確実に確保される時間は、「PWMがLOWになっている期間の、ど真ん中」 です。

STM32のタイマーカウンタ（TIM1）は、Center Aligned Mode（三角波動作）を使用しています。カウンタ値が 0（谷底）と ARR（山頂）を行き来する中で、どちらが「LOWのど真ん中」になるでしょうか？

• PWM Mode 1 の場合: カウンタ値 < CCR で HIGH となります。つまりカウンタ 0 付近は HIGH（上側ON）となり、電流は流れません。
• PWM Mode 2 の場合: カウンタ値 < CCR で LOW となります。つまりカウンタ 0 付近は LOW（下側ON）となります。

結論として、PWM Mode 2 を使用し、カウンタが 0（谷底）になった瞬間にADCのトリガを引く のが正解となります。

3. STM32の実装 (CubeMX & Code)

理論に基づき、STM32の Advanced Control Timer (TIM1) を設定します。手動でタイミングを微調整する必要はありません。ハードウェアの機能を論理的に組み合わせるだけで、完璧な同期が実現できます。

3.1 タイマー設定 (TIM1)

最も重要な変更点は、PWM Generation のモード設定です。

• Counter Settings

  • Counter Mode: Center Aligned Mode 1
    • カウンタがアップ・ダウンカウント（三角波）を繰り返します。
  • Repetition Counter (RCR): 1
    • Update Event (UEV) の発生頻度を制御します。Center Aligned Mode 1 と組み合わせることで、カウンタがアンダーフロー（0）したタイミングでのみイベントを発生させ、ADCトリガ（TRGO2）として利用します。

• PWM Generation Channel 1-3

  • Mode: PWM mode 2
    • ここが最大のポイントです。CNT < CCR の条件で Inactive (LOW) を出力します。
    • これにより、カウンタの谷底（0）付近が常に「LOW（電流計測可能区間）」の中心となります。

• Trigger Output (TRGO2)

  • Trigger Event Selection: Update Event
    • カウンタが 0 になった瞬間に発生する更新イベントを、ADCへのトリガ信号として出力します。
      

3.2 コード実装 (main.c)

設定が正しければ、コードは非常にシンプルになります。以下は MX_TIM1_Init の抜粋と、検証用のコールバック関数です。

/* TIM1 Initialization (抜粋) */
static void MX_TIM1_Init(void)
{
  // ... (省略) ...
  
  // 三角波モード設定
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1;
  // アンダーフロー(0)のみでイベントを発生させるための設定
  htim1.Init.RepetitionCounter = 1; 
  
  // ... (省略) ...
  
  // ★重要: 谷底(CNT=0)でLOWになるモードを選択
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM2; 
  sConfigOC.Pulse = 0;
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  
  // ... (省略) ...
}

次に、ADC変換完了時に呼ばれるコールバック関数で、タイミング検証用の処理を記述します。

/* ADC変換完了割り込み (Injected Group) */
void HAL_ADCEx_InjectedConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    // 1. 割り込みが入った瞬間のカウンタ値を記録 (デバッグ用)
    // 理論上、0に近い小さな値になるはず
    debug_cnt = TIM1->CNT;

    // 2. オシロスコープ確認用にGPIOピンを反転 (赤線)
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); 
    
    // (本番ではここに電流値の工学単位変換やFOC計算処理が入ります)
}

4. 検証結果：完璧な同期

実装したコードをSTM32G474に書き込み、オシロスコープで波形を確認しました。

• 黄色 (CH1): TIM1 PWM出力波形
• 赤色 (CH2): ADC完了割り込みタイミング (GPIOトグル)

オシロスコープ波形

(※黄色いPWM波形がLOWになっている区間の中心で、赤色の信号がトグルしている様子)

確認結果は明白です。
黄色の波形が LOW（0V） になっている区間の、まさに 「ど真ん中」 で赤色の信号が変化しています。
デジタルオシロスコープを「Single」または「Stop」させて波形を拡大すると、ジッター（揺らぎ）のない正確な同期が見て取れます。

1. PWM波形: Center Aligned Mode + PWM Mode 2 により、カウンタ 0 を中心としたLOW区間が生成されている。
2. トリガ位置: Update Event (CNT=0) でADCが開始され、変換時間経過後にLOW区間の中央付近でデータ取得が完了している。

数値による裏付け

さらに、デバッガを通して変数 debug_cnt（割り込み発生時のTIM1カウンタ値）を確認しました。

CNT: 470

この数値の意味を検証します。
STM32G4のクロックは 170MHz です。カウンタ値 470 は、時間にして約 $2.76 \mu s$ に相当します。

$$\frac{470}{170 \times 10^6} \approx 2.76 \times 10^{-6} , [s]$$

• ADCサンプリング + 変換時間: 約 $1 \sim 1.5 \mu s$ (設定依存)
• 割り込み遅延 + GPIO操作: 数百 $ns$ 〜 $1 \mu s$

合計すると、カウンタが 0（谷底）でトリガされてから、処理が完了して CNT を読み取るまでの時間として非常に妥当な値です。
もし設定を誤り、カウンタの山頂（ARR = 4250）やエッジでトリガがかかっていれば、この値は 2125 付近や 4000 付近になるはずです。「470」という数値は、システムが 「谷底（0）で正確にトリガをかけ、最短時間でデータを取得した」 ことの数学的な証明です。

5. まとめ

これで、FOC制御における「目（センサ）」と「触覚（電流計測）」が揃いました。

• PWM Mode 2 と Update Event を組み合わせることで、ローサイド・シャント抵抗に電流が流れる 「LOW区間の真ん中」 をハードウェア的に捉えることに成功しました。
• この同期制御に、CCR4等の余計なコンペアマッチ機能は不要です。STM32のタイマーモードの本質を理解し、正しく設定するだけで、理想的なセンシングタイミングは実現できます。

次回（Day 16）は、いよいよ取得した生の電流値（AD値）を物理量（アンペア）に変換し、モーターを回すためのトルク制御計算（クラーク変換・パーク変換）を実装していきます。
ついに、モーターが「力」を持ちます。お楽しみに。