開ループ速度から電流トルクの入口まで — JC4827 × SimpleFOC

0. この章でできたこと

同じBLDCモータを、速さ・角度・押しの強さ（トルク）で回せるようにした。 トルク制御方式（押しの指令）は最初は電圧、あとから電流にした。

5.00 rad と 4.00 rad は、磁石の歯と歯のあいだなので、速度 P=0.02 でもまだ行き来します。 北の星は二足／レッグドで、いまは机上の入口です。 MCU は JC4827（ESP32-S3）。①から電圧トルクまでは PowerShield v0.2。 電流は MKS Dual FOC Plus v3.2 の M1 だけです。

0-1. 学んだ制御の地図

モーションコントロールModeの説明

括弧の番号はシリアルのモードです。M0＝VEL、M1＝OL、M2＝ANG、M3＝TORQ。 TQ0＝電圧、TQ1＝シャント電流、TQ2＝推定電流。 T の単位は外側で変わる： VEL/OL＝[rad/s]、ANG＝[rad]、TORQ＋TQ0＝[V]（上限 min(L,3)）、TORQ＋TQ1＝[A]（≤C）。

流れの違いとSimpleFocコマンドとの関係

上の Mode の表と同じ 8 行です。 開ループだけ velocity_openloop。閉ループ速度は velocity。 TQ0 と TQ2 は torque_controller が voltage。TQ2 だけ抵抗 12.2 Ω を入れます。 TQ1 は foc_current で、センサは AS5600+CS。

0-2. 用語ミニ辞典

画面や Serial に出る語。表記は Vps（電源）／UVW（三相）で統一。

ログ1行の読み方

mode=CL tgt=5.00 vel=5.02 ang=238.20 L=5.00 Uq=0.53 en=1

この行では tgt と vel は rad/s、ang は rad、 L と Uq は V です。 vel が tgt に近く、Uq が L より十分小さいとき、 電圧に余裕がある（飽和していない）。

0-3. 評価環境と使用パーツ

PowerShield は UNO 用シールドのため JC4827 には刺さらない。 P2/P3 からジャンパ。I2C センサは P4（Wire1）。 写真は 2026-09-20 の PowerShield 机。 2026-09-26 の電流は MKS M1（GPIO 番号は同じ。パッド対応は正本の ⑤-B）。

BLDC S-con　(SimpleFOC-Console-Box)

LCD＋タッチ＋5752 で LIVE/EDIT を見ながら調律する。 右下 MODE で VEL ⇔ OL ⇔ ANG を循環（切替時は自動で安全側へ）。

1. 開ループ速度

センサなしで回す段です。 自作 PWM との違いは 1-1、 2208モータで L = 1.5 V まで見た結果は 1-2 です。

1-1. 3phase PWM vs 開ループ速度（SimpleFOC）

オブジェクト構成

MagneticSensorI2C sensor  ──link──►  BLDCMotor motor
BLDCDriver3PWM driver    ──link──►  BLDCMotor motor
setup: init → initFOC → enable
loop:  loopFOC() → move()     （UI は別コア）

主要コマンド（何をしているか）

motor.controller = MotionControlType::velocity;        // VEL: 閉ループ速度
motor.controller = MotionControlType::velocity_openloop; // OL: 開ループ速度
motor.controller = MotionControlType::angle;           // ANG: 閉ループ角度
motor.torque_controller = TorqueControlType::voltage;  // 内側は電圧指令
motor.PID_velocity.P = ...;   // 画面 P
motor.P_angle.P = ...;        // 画面 Ap（ANG）
motor.linkSensor(&sensor);
motor.initFOC();              // 電気角ゼロ合わせ
// loop:
motor.loopFOC();              // センサ＋逆 Park → 三相 → PWM
motor.move();                 // 外ループ（速度／角度／openloop）

1-2. 開ループ速度

2208モータ、電源 4.8 V。 V_POWER_SUPPLY をテスタ実測の 4.8 V に合わせたうえで、 voltage_limit（L）を細かく変える。

2. 閉ループ速度

2208 の閉ループ速度はロックが多いので保留。学習モータを 2805モータ 140KV、電源 12 V に切り替え、 AS5600 付きで速度閉ループ。流れの説明は 4-1. 電圧 FOC（Uq）。

制御は MotionControlType::velocity ＋ TorqueControlType::voltage。 FOC は core1、画面は core0（I2C mutex）。 開ループとのばらつきの違いは 2-1。

2-1. OL vs CL 比較

同じ目標 tgt≈5 rad/s、センサ実測の vel / ang で比較（2026-09-21）。 平均はどちらも ≈5。ばらつきと手触りは CL が有利。

注: CL の L は電圧の天井（Uq の平均は約 0.5 V）、OL の L は振幅固定。意味が違うので、同じ L の数字の比較ではない。

3. 閉ループ角度

2805モータ、電源 12 V。 外側が角度 P（Ap）、内側が閉ループ速度と同じ速度 PID。 目標との差を埋めるように Uq を増減する点は速度と同じ （詳細は 電圧 FOC）。

常用: Ap=5 ／ 内側 P=0.40、I=1.2、F=0.01 s、L=5 V。 MODE ANG（Serial M2）。HOLD＝いまの角を目標に停止。

4. 電圧トルク

当日の流れ（復習 → 学習A）

1. 復習（コード変更なし） — Upload → CS offs≈1.61 V → ENABLE → VEL T3。 手負荷で Uq が増える（外側＝角速度、内側＝Uq）。
2. FW — MODE TORQ（M3／MODE 循環 ANG の次）を追加。ビルド成功。
3. 学習A — TORQ＋TQ0 で T＝0.5〜2.0 V を確認（下記）。

手順（再現）

1. Upload → SAFE・foc=0・CS OK
2. ENABLE → MODE TORQ（または Serial M3）
3. T=0 で静止（tgt=0 Uq=0）
4. ノブ #3 または Serial で T0.5 → APPLY。必要なら T1.0 T1.5 T2.0
5. 止めるときは T0 → 必要なら E-STOP

上限は min(L, 3 V)。ノブ step 0.1 V。当日は L=5・2805 @12 V。

合格記録（2805 @12V）

VEL 復習との差: 速度モードでは「遅れる → Uq が増える」。 TORQ では「自分が決めた Uq を出し続ける」。速さは結果であって目標ではない。

4-1. 電圧 FOC（Uq）

q 軸（Uq）のイメージ

ロータをメリーゴーランドの馬だと思う。 q 軸は、その馬を回転方向に押す向き — 回りやすい＝力（トルク）になる側。 画面の Uq は、その押しの強さ（電圧）だ。

d 軸（Ud）は磁界に揃える側。抵抗／インダクタンス未設定の電圧 FOC では Ud = 0 のまま（本段では Uq だけ見ればよい）。

閉ループ速度（MODE VEL / CL）

tgt（目標速度） − vel（実測速度）
        ↓
  速度 PID（P / I / F）
        ↓
      Uq を増減    （|Uq| ≤ L）
        ↓
  逆 Park → 三相電圧 → PWM

目標より遅い → Uq を上げる。速い → 下げる。 手で負荷をかけても、差を埋めるために一時 Uq≈L まで出ることがある。

閉ループ角度（MODE ANG）

tgt（目標角） − ang（実測角）
        ↓
  Ap × 誤差 → 目標速度 vel_sp
        ↓
  vel_sp − vel → 速度 PID（同じ P/I/F）
        ↓
      Uq を増減    （|Uq| ≤ L）
        ↓
  逆 Park → 三相電圧 → PWM

角がズレる → 「この速さで寄れ」→ 内側の速度 PID が Uq を出す、二段構え。 結局やることは速度と同じで、差を埋めるように Uq を増減する。

Uq / Ud のあと（印加）

決まった Uq・Ud とセンサの電気角を setPhaseVoltage に渡し、逆 Park → 三相電圧 → PWM で UVW に振る。 制御の頭は d/q、電線に出るのは三相、という分担。

4-2. 推定電流（Uq＝I×R＋逆起電力）

TQ2 はシャントを使いません。PowerShield のときの結果です。 Uq ＝ 電流 × 12.2 Ω ＋ 逆起電力。 トルクは合格。速度は平均が追従し、コギングで脈動します。P/I は触っていません。

5. 電流トルク

机が変わったところ

開ループから電圧トルクまでは PowerShield。2026-09-26 の電流は JC4827 ＋ MKS Dual FOC Plus v3.2 の M1 だけ ＋ 2805 140KV。 基板上の ESP32 は未実装。PWM と電流読みは JC4827 だけ。 1 相はテスタの線間 24.5 Ω を 2 で割った 12.2 Ω。 VIN は 11.97 V（FW の 12 V は変えない）。 シャントは 10 mΩ × 50 倍＝ゲイン 2.0 A/V。

ここまで分かったこと

1. 符号 PA/PB — 3 V を短く出すと Ia も Ib も約 +0.29 A。 10 mΩ×50 の計算と合うので、ゲインは 2.0 のまま。符号はプラスのまま。
2. TQ1・T=0 — 合格。軸は止まる。Iq≈0。最初は Uq が約 −0.2 V まで漂った。積分を止めたあとは 0 のまま。
3. TQ1・軸を押さえた T0.05（最初） — Iq=0.05 A、軸は止まる。 Uq は約 1.03〜1.15 V（12.2×0.05＝0.61 V より大きい）。 Ud≈−0.22 V。原因は下の比較で分かった。
4. TQ1・無負荷 T0.05 — 電圧の天井まで回る（L=2 で約 33〜35 rad/s、L=5 で約 76 rad/s）。 やり直さない。T は 0.05 A より上げない。
5. TQ0・軸を押さえた 0.60 V — Uq は 0.60 V のまま。表示 Iq の中央値は 0.04 A（62 点、平均 0.038 A。期待 0.049 A）。
6. TQ0・軸を押さえた 1.20 V — 電圧を 2 倍にすると、表示 Iq の中央値は 0.09 A（期待 0.098 A）。電流もおおむね 2 倍。
7. 積分を止めたあとの T0.05（約 59 秒） — 目標との差が 0.02 A より小さいあいだ、Uq は目標×12.2 Ω だけ。Id が 0.02 A より小さいあいだ Ud=0。 結果は Uq=0.61 V、Iq≈0.04 A、Ud≈0。P=1、I=5 のまま。

電圧モード（TQ0）の画面とシリアルの Iq は、500 ms ごとにシャントを読む表示だけ。 モータを回す計算には入らない。TQ1 の Iq は電流 PID が見ている値。同じ行の IqS は生読み。 最初の 1.15 V のとき、Iq と IqS は両方とも約 0.05 A だった。

6. 閉ループ速度・電流

トルクモードの T は電流そのもの。 速度モードの T は速さ（rad/s）で、目標に合わせるために Iq の目標が動き、その電流に合わせて Uq が動く。 速度の P=0.01、I=0.05。電流の P=1、I=5、天井 C=0.60 A はそのまま。 電圧用の P=0.40 / I=1.20 は、ここでは使わない。

1. T=0 で ENABLE — 角度は 4.22 rad のまま。Iq≈0、Uq≈0。
2. T=1・約 68 秒・軸は自由 — 角度は 4.22 から 71.80 rad（67.6 rad）。平均は 0.99 rad/s（目標 1.00）。 Iq はだいたい 0.00〜0.04 A（最大 0.07 A）。Uq はだいたい 0.2〜0.5 V。Ud≈0。

画面の vel は 0.1〜4 rad/s に跳ねる。ゆっくり回すと磁石の引っかかりでそうなる。 平均は角度の進みで見る。遅くなった瞬間は Uq が約 0.5 V まで上がり、跳ねた瞬間は 0 V 近くまで下がる。

7. 閉ループ角度・電流

T は絶対の角度です。 Ap=5。内側に頼む速さは ±1 rad/s。速度の I=0.05。 角度のときだけ速度の P=0.02。電流の P=1、I=5、C=0.60 はそのまま。

1. 速度 P=0.01 — 保持 4.22 rad から T5.20（5.20 rad）。約 2 秒で 5.31 rad。 その後は 5.13 rad と 5.30 rad を行き来。Uq は ±0.4 V。止まっていません。
2. 速度 P=0.05 — 保持 3.30 rad の約 1 秒後から Uq が ±5 V。 角度は 3.06〜3.48 rad のまま、その場で揺れました。この P は使いません。
3. 速度 P=0.02・保持 3.30 rad・約 21 秒 — err=0 rad。Iq≈0 A、Uq≈0 V。
4. T4.30（4.30 rad、+1 rad） — 約 4 秒で 4.30 rad。その後約 28 秒、err=0 rad。 Iq はだいたい 0.03 A。Uq は 0.31〜0.41 V。Ud≈0。

同じログで 2.00 rad と 0.00 rad も止まりました。 5.00 rad と 4.00 rad は磁石の歯と歯のあいだで、まだ行き来します。 電圧はそこでも ±0.6 V 以内です。+1 rad が止まったので、ANG＋TQ1 はこの P で合格です。

8. 5010（低抵抗）

机は 2805 と同じです。JC4827 ＋ MKS Dual FOC Plus v3.2 の M1 だけ ＋ AS5600。 VIN は 11.97 V。極対数は 7。起動は毎回 dir=-1（CCW）。 電流の P=1、I=5。速度の P=0.01、I=0.05。角度のときだけ速度 P=0.02、内側の速さは ±1 rad/s、Ap=5。 電圧の天井 L=1.0 V、電流の天井 C=0.60 A。どちらも上げていません。

巻線

ドライバの電源を切って、出力端子のあいだを測りました。 線間は 1.65、1.66、1.65 Ω。平均 1.65 Ω を 2 で割ると、1 相は 0.83 Ω。 モータ線で先に測った線間平均 1.60 Ω（1 相 0.80 Ω、2026-09-27）と近いです。 12 V を入れたまま測ると約 1.3 Ω と低く出るので、その数字は使いません。 0.20 A のときの電圧は 0.20×0.83＝0.17 V。0.60 A なら 0.50 V。

机上の結果（2026-09-28）

0.10 V を出したとき、表示の電流は約 0.25 A でした。抵抗から見ると 0.12 A です。 回っている速さは 360 KV と合うので、電流ゲインは 2.0 A/V のままです。

9. ファームの使い分け

書き込まれるのは、いつも src/main.cpp だけです。 alt のファイルは控えです。PlatformIO はそこをビルドしません。

控えの中身は、GitHub で開けます。 GitHub: ① 2805 GitHub: ② 5010

中身の違い

電流の P=1、I=5、速度の P=0.01、I=0.05、角度の速度 P=0.02、内側の速さ ±1 rad/s、Ap=5、 skip_align、電流ゲイン 2.0 A/V は、①も②も同じです。違うのは、モータに合わせた天井です。

使う前の確認

1. モータの線を外します。
2. ②を使うときだけ、alt/main_5010_low_r.cpp を src/main.cpp にコピーして Upload します。①に戻すときは alt/main_2805_gimbal.cpp をコピーします。
3. シリアルの先頭付近で、R= と KV= を見ます。①なら 12.2 と 140、②なら 0.83 と 360 です。
4. 数字がモータと合ってから、そのモータだけをつなぎます。

10. どの制御を、どのガジェットに

ガジェット別の検討例

市販品の動きに、上の8方式を当てた例です。 ◎は本命、○は使える、△は一部の動きだけ、×は目的と合いません。 推定電流は電流センサ（CS）が要らないので、基板を作りやすいです。 電圧トルクや電流トルクが要るガジェットでは、その代わりに ○ として使えます。

1. ファン — 回り続ければ足ります。市販品は電圧トルク（PWM で電圧の割合）です。 フィルタが詰まっても回転数を保つなら、速度＋電圧か速度＋電流です。
2. RCカー — スロットルは押しの割合です。電圧トルクが市販の ESC です。 電流トルクにすると、速度が上がっても踏ん張りがそろいます。 車輪の角度を目標にすると、タイヤがそこで止まろうとします。
3. ジンバル — カメラの向きが目標です。2805 で合格した角度＋電圧と、角度＋電流が本命です。 一定の速さでパンするときだけ、速度が足ります。
4. RW と2輪 — 外側の目標は、機体の傾き（IMU）です。モータの軸の角度ではありません。 リアクションホイールは電流トルクが本命です。 2輪の車輪は、電流トルクでも、速度＋電流でも立てられます。
5. ロボットアーム — 関節の角度が目標で、当たったときの電流に天井が要ります。角度＋電流が本命です。 角度＋電圧は軽い模型なら使えます。低抵抗のモータは、止まった瞬間の電流が大きくなります。 電流トルクだけだと、姿勢は重力で下がります。内側の押しとしては使えます。

モータの選び方

この先のガジェット

1. モータ評価ベンチ — 同じ画面で速さと電流を見る。方式は速度＋電流と、電流トルクです。
2. 1 軸で向きを保つもの — 2805 と、角度＋電圧か角度＋電流。歯のあいだは、まだ行き来します。
3. 回り続けるホイール — 速度＋電流。強く回すなら 5010 と ②のファームです。
4. 2 台いるガジェット — そのとき M0 を確認します。いまは M1 だけです。
5. 二足 — 関節が角度＋電流になってからです。この章では作りません。

まだ先のこと