W55RP20-EVB-Picoで三菱電機製インバータを動かしてみた

第25回オープンエッジデバイス研究会
ソニークリエイティブラウンジ
2025/06/18(水) 19:00 〜 20:00
イベントリンク
https://openedgedevice.connpass.com/event/356193/

Transcript

1. W55RP20-EVB-Picoで三菱電機製インバータを動かしてみた http://b-and-b-lab.jp/ 株式会社 B&B Lab. 代表 真崎 康平 kohei.masaki@b-and-b-lab.jp 2025.06.18 発表 第21回オープンエッジデバイス研究会 ＠ソニークリエイティブラウンジ（SONY 品川） WIZnet-W55RP20 2025.06.18 インバータ デモ環境 駆動ターゲット モータ（200W）
2. 自己紹介
3. 〇概要 ・設立 2018年1月 ・資本金 ３００万円 ・主な業務 IoT機器の開発、サービス開発（現在スマート農業向けにフォーカス） http://b-and-b-lab.jp/ 〇代表取締役 眞崎 康平（まさき こうへい） ：ハードウェア開発担当 業務キャリア ・SONY半導体（鹿児島、熊本、福岡）で１０年弱、イメージセンサ開発に従事 対応領域 画像処理ソフトウェア開発、ハードウェア制御（Visual C++, VBA） 製品評価手法開発（CCD/CMOSイメージセンサ） ハードウェア開発(アナログ、デジタル) ・風力発電パワーコンディショナ開発（4年） 九州大学 応用力学研究所との産学協働プロジェクトにて レンズ風車向けパワーコンディショナ（制御器）開発 大電力、高電圧回路設計 ・その他 医療ベンチャーetc. 〇共同設立者 中村 真理（なかむら しんり）：クラウド、ファームウェア担当 業務キャリア ・バーテンダー ・診療放射線技師 ・ハイパーメディアクリエーター（自称） LINE API Expert
4. Introduction
5. 突然ですが 皆さん？ モーターはお好きですか？ ▪鉄分多め勢 ▪童心を忘れない勢 ▪ドローン飛ばしたい勢 ▪マイクロマウスを制覇したい勢 色々野望はあると思います
6. もっとパワー感のあるモータを動かしてみたくないですか？ 実現イメージ（妄想） 現実 ※滅茶苦茶重いのでキャスター付けました 妄想はさておき、スマート農業（家庭菜園含む） で水を撒くのにポンプを動かしたい（課題） 2.2kW ※キャスター付きのスケボーみたいな モータをイメージを生成AIでイメージ化 ３相 200V 2.2kW （３馬力） ヤフオクで約１万円
7. パワーのあるモーターをIoT / エッジデバイス で動かしたい！ ▪商品説明（ヤフオク） クリーン度の高い装置の制御盤更新で取り外ししまし た。実働品取り外し前全く問題なく稼働していました。 他にも16台同じクオリティーのインバーター出品しま す。更新したインバーターの箱に入れて梱包しました。 工場の製造ラインの変更に伴う放出品が潤沢に流通（１万円前後） →市販品インバータで実現可能 その中でも、 FA 向けのデファクトスタンダードの 三菱電機製インバータを制御出来たのでノウハウを共有します
8. 課題共有 IoT エッジデバイスの課題
9. IoT エッジデバイスの課題 (1/3) ▪ESP32 / M5 Stack などでプロトタイピングは非常に楽に、スケールも現実的に https://m5stack.com/ 市販製品採用例 https://www.espressif.com/ ▪一方、FA / 農業向けでは有線 Ethernet が要求される 工場のセキュリティ問題 → 野良 WiFi NG 農業：2.4GHz帯 の電波が植物の水分に吸収され届かないおそれ WiFi インターフェイスがインターネット接続 / スマホとの親和性高い 作物の生育に通信状態が 左右される
10. IoT エッジデバイスの課題 (2/3) 有線 Ethernet を使おうとした途端にスケールのハードルが上がる ▪プロトタイピング ▪農業向けのスケール化例 電子工作とプログラミング ESP32にEthernetシールドをつないで性能を確認 ※実際には４層基板 （例）弊社自動潅水コントローラ ESP32 + W5500 が現実解（SPI接続） プロトタイピング用のモジュールで試作検証 課題 ・WiFi I/F 有線と重複 →コスト、セキュリティ ・SPI接続の信号ラインの設計が大変 →信号品質の再現性 ・W5500 ⇔ RJ45 コネクタの設計が大変 →信号品質、部品の入手性 ※パルストランス内蔵コネクタ 採用で幾らか難易度が緩和 ・有線Ethernetの設定手段 WiFi 経由がお手軽 ・プロセッサの性能が高い / 高機能
11. IoT エッジデバイスの課題 (3/3) W5500-EVB-Pico-PoE W55RP20-EVB-Pico ３つのチップをSiP（System in Package）に統合 低コストの有線イーサネットのソリューションはないだろうか？ https://docs.wiznet.io/Product/ioNIC/W55RP20/overview-jp →WIZNet W55RP20 が有望株！ RP2040 ¥104 W5500 ¥299 W25Q16JVUXIQ ¥61 計 461円 ※各部品1000個ロット購入時 ・実装コストも含めるとW55RP20が安価 ・高速信号（SPI）がパッケージ内配線 のため実装の再現性がとりやすい ・部品管理、調達コスト 小売価格(1個) 572円 WIZNet 純正評価ボードで比較 チップ統合で回路設計のハードルが下がる いずれも秋月通商/スイッチサイエンス等で購入可能
12. WIZNet W55RP20の紹介と開発上の課題
13. WIZNet W55RP20の機能紹介と開発上の課題(1/3) ADI社のiCouplerの例 参考 SiPの内部イメージ W5500側 RP2040側 W55RP20 Datasheet より引用 RP2040 Datasheet より引用 課題： RP2040の目玉機能？である、 PIOインターフェイスで接続する前提の設計であるため 新規開発、検証が必要 RP2040 (Raspberry Pi Pico MPU) とW5500 (Ethernet I/F) と外付けフラッシュが統合 内部接続ブロック図
14. WIZNet W55RP20の機能紹介と開発上の課題(2/3) メーカーのWIZNet では、 lwIP (lightweight IP)ベースの開発環境を正式にサポート、検証を行っている。 ただし、Arduino Ethernet ライブラリとの互換性はない。 Ethernet ライブラリ互換で使える変換レイヤーが準備されている。 EthernetCompat.h (WIZNet の推奨するボードライブラリに内蔵) コード例 課題残件 〇MAC アドレス HW依存のユニークIDが必要 → RP2040 のAPIでフラッシュROM のユニークIDを読出サポート フラッシュのIDを加工して流用 →左コード例 ※インターネットに直結しない前提 （ローカルのネットワーク運用） であればテキトーでも重複なければ 問題は生じない
15. WIZNet W55RP20の機能紹介と開発上の課題(3/3) 皆さんの本音：Web I/FでHWを操作したい！！！！ どうしたらいい？ 〇USER LED(GPIO19)操作 〇電源電圧モニタ(VSYS) :ADC3 〇ユーザ関数実行 引数：パラメータ指定 返り値：実行結果 IPアドレス：ハードコーディング 〇Web 画面サンプル 電圧モニタ：１秒更新 User LED 点滅をチェックボックスで操作 ユーザー関数実行結果（ログ表示） https://github.com/Unicorn556/WebServerMain_W55RP20 コードはGitHubで 公開 ユーザー関数パラメータ →サンプルデモアプリ準備しました Web 実装内容 ・Web API 風エンドポイントでWebハンドラ実装 ・U/Iの動作は javascript で実装（プログラムで生成） ・機能を追加実装する場合は既存コードを例示し chatGPT 等に要望を指示すれば容易に対応可能 ▪サンプルデモ内容 雑なコードでスイマセン
16. お待ちかねの本題 インバータ制御 ・制御方法（ハードウェア編） ・制御方法（ファームウェア編） ・周辺回路接続
17. インバータ制御 制御方法（ハードウェア編）
18. インバータ制御 ハードウェア編 (1/6) 三菱電機汎用インバータ FREQROL-E700シリーズ 取扱説明書（応用編）[IB-0600274] 〇インバータの外部からの制御方法 RJ45コネクタ （LANケーブルと同等品）で接続 ※内部信号はRS485 ▪技術概要 手動操作用パネル（メーカー純正オプション）が接続可能 〇手動操作用パネルをはじめ、PCなどからの制御がRS485で操作可能
19. インバータ制御 ハードウェア編 (2/6) ▪RS485 インターフェイス仕様概説（取説より） 三菱電機汎用インバータ FREQROL-E700シリーズ 取扱説明書（応用編）[IB-0600274] ※今回インバータは１台のみ ※コネクタはLANケーブルと同じ ※今回二線式で結線 〇ピンアサイン 〇結線方法
20. インバータ制御 ハードウェア編 (3/6) ▪エッジデバイス側 I/F ※今回専用基板を起こしましたが、 ユニバーサル基板で十分です RS485 トランシーバ RS485 トランシーバ 〇W55RP20-EVB-Picoとの結線 → RS485 のインターフェイスを実装すればよい HW該当箇所 該当部分回路図 インバータ と接続 インバータ と接続 再掲：インバータ側ピンアサイン、接続方法 UART + Data Enable (DE) : 3線で接続 同一ピンアサインで 互換品多数 RJ45コネクタ
21. インバータ制御 ハードウェア編 (4/6) ▪エッジデバイス側 I/F 詳細 RS485トランスミッタは5V 品が豊富 (3.3V品もあるが少ない) →５V品をマイコンの3.3V I/F に接続する際 対策が必要 抵抗分圧 分圧比 1.56 5V → 3.21V に分圧 マイコンの3.3V 入力に適合 レシーバ出力 トランスミッタ入力、Data Enable 入力 →マイコンの 0/3.3V 出力直結可能 Maxim(アナデバ) MAX485 データシートより抜粋 ※念の為データシートで確認 入力 ▪波形のオシロでの確認推奨 実際に以下のトラブル ・部品の実装ミス ・想定外のプログラム動作 シリアル通信終了前にプログラム上の処理が 終わる →DE(Data Eneble) が通信終了前に非アクティブ →バッファのフラッシュ処理必要 大体のところは ChatGPT は適切なコード 生成するが、チェックは甘いので実機確認大事
22. インバータ制御 ハードウェア編 (5/6) ▪制御電源どうする問題 注 記 ②、⑧番ピンは、パラメータユニット用の電源です。 RS-485通信を行うときは、使用しないでください。 →ダメと言われれば 使いたくなるのが人情 三菱電機汎用インバータ FREQROL-D700 パラメータユニット用電源負荷特性 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 0 100 200 300 400 500 600 負荷電流 [mA] 出力電圧 [V] 150mA @4.75V (公称値 -5%) 350mA @4.5V (公称値 -10%) 500mA でフの字特性 測定条件 負荷：自作電子負荷 （AliExpress市販基板改造） 測定器：DMM B-35T(OWON) ×２ ※５分程度ウォーミングアップ 〇公式の情報が無ければ、勿論リバースエンジニアリング 実測結果からの仕様の予想 ・電流定格は 150mA と思われる(※１) ・ピーク供給能力を定格予想値の ２倍の300mAと想定。 (※２) ・500mA で出力トリップ（※３） ※１： USB 2.0 規格では、5V±5% が許容範囲とされるので その許容値に準拠と仮定する。 ※２ ： 最大電圧ドロップの許容値を-10% と仮定しそこから マージンを持たせた設定 ※３ ： 挙動とキリの良い値であることから設計値だと思われる。 三菱電機汎用インバータ FREQROL-E700シリーズ 取扱説明書（応用編）[IB-0600274]
23. インバータ制御 ハードウェア編 (6/6) ▪制御電源どうする 問題実機検証 〇実負荷としてWIZnet-W55RP20 を接続し検証 ・単独テスト（外部から5V 供給） Ethernet 無効時 88mA / 有効時 140mA →推定定格電流範囲内 ・接続テスト（インバータ側から電流を供給） 供給電圧 4.78V (公称値 -4.4%) → VSYS Min 4.3V 範囲内 問題なし （※１） （※１）W55RP20-EVB-PICO https://docs.wiznet.io/Product/ioNIC/W55RP20/w55rp20-evb-pico Operation Conditionより 注意： 本検証は実機を解析して得られた検証結果を元に記載して おります。 動力を取り扱うため安全上問題ないか、各自の責任の元 またはメーカのサポートに問題の有無を確認してください。 ４芯キャプタイヤ ケーブル(0.15sq) WIZnet-W55RP20 搭載ボード インバータ テストベンチ（後述） この基板が気になる方はこちら↑ 〇検証環境
24. インバータ制御 制御方法（ファームウェア編）
25. インバータ制御 ファームウェア編 (1/3) 三菱電機汎用インバータ FREQROL-E700シリーズ 取扱説明書（応用編）[IB-0600274] より引用 開発者向けの情報は公開されている.... が 問題点 ・量が膨大（この例で 334 page） ・サンプルコードが古く(Visual C++6.0) 更新されてない、実践的でもない ・実機で試しながらでないと実質ムリ（Chat GPT でコードは作れるが完全ではない） 開発資料イメージ 三菱電機の製品サイトでDL可
26. インバータ制御 ファームウェア編 (2/3) マニュアルをChat GPT の力を借りながら 読み解き Arduino のコードに実装 概要 ・モデムなどのATコマンドに近い制御イメージだが可読性が低くターミナル経由の手動操作はムリ ・コマンドのパターンが複数あり実装が面倒（ステートマシンで処理分岐が妥当） ・処理失敗のリトライ、排他処理、実用上は非同期処理 must → マルチコアを活用し専用スレッドで処理、命令はキューに貯めて実行 三菱電機汎用インバータ FREQROL-E700シリーズ 取扱説明書（応用編）[IB-0600274] より引用
27. インバータ制御 ファームウェア編 (3/3) 作りは荒いですが、GitHub でコードをシェアします 制御用コード (RP2040向け) 制御用クラスイメージ 使用方法イメージ 操作用 U/I イメージ (Web U/I) モータ操作 回転数設定 稼働ステータスは リアルタイムに更新 (200msec 周期で更新) https://github.com/Unicorn556/WebServerMain_inv コードはGitHubで 公開 注記 ・現在 FREQROL-D700 シリーズのみ 動作が確認できています。 他の世代の製品に適用するためには 調整が必要な可能性があります。 ※CharGTPのアシストで容易？
28. インバータ制御 周辺回路接続
29. インバータ制御 周辺回路接続編 インバータは三相200V入力前提なので、100V で使う場合は200Vに昇圧が必要です。 ステップアップ トランス ステップアップトランス →海外向け電化製品を使用するための製品として市販 インバータ UVW（三相） ＋E(接地) AC100V(単相) ステップアップ トランス 適宜ブレーカーなどの保護を を入れてください。 AC200V (単相) 電源は 任意の２端子 に接続してく ださい （単相入力） 三相誘導モータ インバータ
30. デモ モータ回します！
31. まとめ ・WIZNet W55RP20 は エッジデバイスの有線Etnernet ソリューションに 有用だと確認できました。（コスト、設計の簡素化などの観点） ・ 評価ボード W55RP20-EVB-Pico を使った 有線 Ethernet 向けの Web I/F を持つ Arduino サンプルを開発しました（公開予定） ・ RS485 経由で三菱電機FA向けインバータが上記環境で制御可能なことを 確認できました。
32. ついでに 告知！
33. 福岡開催のMakers イベントに出展します。(2025 8/2(土) - 8/3(日)) 〇本日の発表内容を組み込んだ自動潅水デモ 〇AITRIOSを組み込んだ何か？（製作中） 皆様 夏休みの予定に如何でしょうか？ 出展予定 御清聴ありがとうございました