PWM(ピーダブリューエム)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

PWMとは、Pulse Width Modulationの略称であり、日本語ではパルス幅変調と訳される。この技術は、デジタル信号を用いてアナログ的な効果や、電力の平均値を制御するための手法である。システムエンジニアを目指す上で、特に組み込みシステムやIoTデバイス、ロボティクスといったハードウェアと密接に関わる分野では、PWMの概念と応用は非常に重要となる。多くの場合、マイクロコントローラやFPGAといったデジタル回路から、モーターの速度制御、LEDの明るさ調整、DC-DCコンバータの効率的な電力変換、さらにはオーディオアンプといった多岐にわたる用途で活用されている。

PWMの基本的な考え方は、一定の周期を持つ方形波（パルス波）のON時間（パルス幅）を変化させることで、その波形が持つ平均電力や平均電圧、平均電流を制御するというものである。例えば、モーターに供給する電圧を調整して速度を変えたい場合、従来はアナログ回路を用いて電圧自体を変化させる必要があった。しかし、PWMを用いることで、デジタル信号のON/OFFを高速に繰り返すだけで、実質的にモーターに印加される電圧の平均値を制御できる。このON/OFFの繰り返しは、非常に短い時間スケールで行われるため、モーターやLEDといった対象は、あたかも連続的な電力供給を受けているかのように動作する。

より詳細に原理を説明すると、PWM信号は、固定された周期（Period）と、その周期内でのON時間（Pulse Width）によって定義される。周期は、パルスが完全に一巡するのにかかる時間であり、その逆数が周波数となる。ON時間は、パルスが"High"レベル、すなわち電力が供給されている状態にある時間である。このON時間が周期全体に占める割合を「デューティ比（Duty Cycle）」と呼ぶ。デューティ比は0%から100%までの値を取り、0%であれば常にOFF、100%であれば常にONの状態となる。例えば、デューティ比が50%であれば、周期の半分がON、残りの半分がOFFとなる。このとき、出力される電力や電圧の平均値は、電源電圧の半分となる。デューティ比を調整することで、出力される電力や電圧の平均値を細かく、かつ連続的に制御することが可能となる。

PWM制御の大きな利点は、その高効率性にある。アナログ回路で電圧を調整する場合、一般的に抵抗などを用いて電力を消費させることで電圧降下を起こす。この際、余分な電力が熱として失われるため、効率が悪くなる。しかし、PWMでは、電力のON/OFFを高速にスイッチングするだけであり、スイッチが完全にONか完全にOFFの状態であれば、理論上は電力損失が発生しない。実際の回路ではスイッチング素子の抵抗やスイッチング時の過渡的な損失はあるものの、アナログ制御に比べて格段に高い効率を実現できる。また、PWM信号はデジタル信号であるため、ノイズの影響を受けにくく、デジタル制御システムとの親和性が高いという利点もある。マイクロコントローラにはPWM信号を生成するための専用のタイマー/カウンタモジュールが内蔵されていることが多く、ソフトウェアから簡単に制御できるため、複雑なアナログ回路設計が不要となる。これにより、システムのコスト削減や開発期間の短縮にも貢献する。

しかし、PWMにもいくつかの考慮すべき点がある。高速なスイッチング動作は、高周波ノイズを発生させる可能性がある。このノイズは、周囲の電子機器に干渉したり、電源ラインを通じて伝播したりすることがあるため、適切なフィルタリングやシールドといった対策が必要となる場合がある。また、スイッチング周波数、すなわちPWMの周期は、制御対象の特性に合わせて慎重に選定する必要がある。例えば、モーター制御においては、スイッチング周波数が低すぎるとモーターのトルクリップル（回転ムラ）が大きくなったり、可聴域に入り不快な音（スイッチングノイズ）が発生したりすることがある。一方、スイッチング周波数を高くしすぎると、スイッチング素子の損失が増加し、効率が低下する可能性もある。さらに、出力信号に低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）を適用しない場合、リップルと呼ばれる小さな電圧変動や電流変動が生じることもあり、これは特定のアプリケーションでは問題となる場合がある。

PWMは多様な分野で応用されている。代表的な例としては、DCモーターの速度制御が挙げられる。モーターに供給される電圧のデューティ比を変化させることで、その回転速度をスムーズに、かつ効率的に調整できる。また、LED照明の調光にも広く用いられている。PWMによってLEDに流れる平均電流を制御することで、明るさを連続的に変更できる。この方法は、LEDの色温度変化を抑えつつ、高い調光比を実現できるため、照明器具に最適である。さらに、DC-DCコンバータでは、PWMを用いてスイッチング素子を制御し、入力された直流電圧を異なるレベルの直流電圧（昇圧または降圧）に効率良く変換する。デジタルオーディオアンプ（D級アンプ）でもPWMの原理が利用されている。アナログ音声信号をPWM信号に変換し、それを増幅した後、ローパスフィルタを通してアナログ音声として再構築することで、高効率かつ高品質なオーディオ再生を実現する。簡易的なデジタル-アナログ変換器（DAC）として、PWM信号とRCフィルタ（抵抗とコンデンサの組み合わせ）を用いることで、デジタル値をアナログ電圧に変換することも可能である。

システムエンジニアを目指す者にとって、PWMは単なる電気電子工学の知識にとどまらない。組込みソフトウェアからハードウェアを制御する際の基本的なインターフェース技術の一つとして、その動作原理や特性、応用例を理解することは、システム全体の設計やデバッグにおいて非常に役立つ。ハードウェアの制約や特性を考慮した上で、ソフトウェアで最適な制御ロジックを実装するためには、PWMがどのように物理的な現象を制御しているかを深く理解しておくことが不可欠である。IoTデバイスの省電力設計や、ロボットのアクチュエータ制御、産業用機器の高精度制御など、現代の技術開発においてPWMは不可欠な基盤技術であり続けている。