Python × Pico 電子工作　｜　#14 ステッピングモーターを動かそう

今回は ステッピングモーター を使って、「1 ステップずつカチカチと角度を刻むモーター」 の制御を学びます。#12 のサーボは 「絶対角度 0〜180° を指定」、#13 の DC モーターは 「ずっと回り続ける」 のが特徴でしたが、ステッピングモーターは 「指定したステップ数だけ正確に進む」 のが最大の強み。位置センサー（エンコーダ）なしで絶対位置を制御できる ため、3D プリンタ・CNC マシン・スキャナ・カメラの自動フォーカス・天体望遠鏡の自動追尾 など、精密な角度制御が要る現場では 圧倒的に主役 です。

今回使う 28BYJ-48 + ULN2003 ドライバボード は教育用ステッピングモーターの定番セット。4 つのコイル（IN1〜IN4）を順番に ON/OFF するシーケンス で内部のローターが少しずつ回り、ギア比 1/64 の減速ギア を通すことで 出力軸 1 ステップ ≒ 0.088° という高い角度分解能 を実現しています。4096 ステップでちょうど 1 回転（360°） という覚えやすい数字も嬉しいポイント。

• ステッピングモーターの仕組み（コイルを順番に励磁してローターを引き寄せる）
• 28BYJ-48 の構造：内部 4 極ステーター + 永久磁石ローター + 1/64 ギア
• ULN2003 ドライバ：マイコンの弱い信号を 4 コイルの大きな電流に変換
• 1-2 相励磁（半ステップ駆動） の 8 パターンシーケンス
• 4096 ステップ ＝ 1 回転 の換算式と角度指定の使い分け
• ボタンや超音波センサーと組み合わせた イベント駆動の角度制御
• サーボ・DC モーターとの 「精度 vs トルク vs 速度」 使い分け

今回は PycoBlocks(MicroPythonモード) の 「モーター」カテゴリ にある「ステッパー」 ブロックを使います。IN1〜IN4 の 4 ピン指定 + ステップ数 / 角度 + 遅延（ms） を選ぶだけで、内部では 1-2 相励磁の 8 パターンシーケンス + 4 コイルの順次励磁ループ が自動生成されます。

ステッピングモーターと 28BYJ-48 の基礎

ステッピングモーター は、内部の 複数のコイル（電磁石）を順番に ON/OFF する ことで、中心の 永久磁石ローター を 1 ステップずつ一定角度だけ回す モーターです。コイルに電流が流れている間は そのコイルにロックされて止まる ため、「電源を切らない限り正確な角度で保持される」 のが大きな特徴。サーボのような 位置センサー（ポテンショメータ）が不要 で、「ステップ数を数えるだけで絶対位置がわかる」 構造になっています。

28BYJ-48 は 「内部 5V・ユニポーラ駆動・4 相 5 線式・1/64 ギア内蔵」 の小型ステッピングモーター。赤・橙・黄・桃・青の 5 色リード線 がドライバボードの白いコネクタにそのまま差し込めるようになっており、ULN2003 ドライバボード（赤色 LED 4 個と緑色基板が特徴）とセットで 200〜500 円程度。Amazon・秋月電子・千石電商 で「28BYJ-48 ULN2003」で検索すれば必ずヒットします。

1-2 相励磁シーケンス：なぜ「8 パターン」で動くのか

ステッピングモーター内部の 4 つのコイル（IN1〜IN4） は、ローターを取り囲むように 90°ずつ配置 されています。「1 つだけ ON → ローターがそのコイルの方向に引かれる」 という単純な動作を8 つの組み合わせで順番に切り替える ことで、ローターが滑らかに 1 ステップずつ回ります。これが 1-2 相励磁（半ステップ駆動） と呼ばれる手法で、「1 個 ON → 2 個 ON → 1 個 ON → ...」 を繰り返すのが名前の由来です。

# 1-2 相励磁（半ステップ駆動）の 8 パターン
# IN1 IN2 IN3 IN4   コメント
# 1   0   0   0     ステップ1: コイル1のみ ON（ローターは IN1 側に固定）
# 1   1   0   0     ステップ2: コイル1+2 ON（中間位置に引かれる）
# 0   1   0   0     ステップ3: コイル2のみ ON（ローターは IN2 側に固定）
# 0   1   1   0     ステップ4: コイル2+3 ON（次の中間位置）
# 0   0   1   0     ステップ5: コイル3のみ ON
# 0   0   1   1     ステップ6: コイル3+4 ON
# 0   0   0   1     ステップ7: コイル4のみ ON
# 1   0   0   1     ステップ8: コイル4+1 ON（一周してステップ1の前に戻る）
#
# このパターンを順番に出すと → 正転（時計回り）
# このパターンを逆順に出すと → 逆転（反時計回り）
# 8 パターンで 5.625°（モーター内部角）、ギア 1/64 で出力軸は約 0.088° 進む

「フル相励磁（4 ステップ）」 という単純な駆動方法もありますが、1-2 相励磁（8 ステップ） の方が ステップ角が半分（より精密） で、振動と騒音も少なく滑らか。PycoBlocks の 「ステッパー」ブロック も内部でこの 8 パターンシーケンスを自動生成 しているので、利用者は「ステップ数」「ピン」「遅延」だけを指定すれば 細かい励磁制御を意識せずに済みます。

出力軸 1 回転 = 4096 ステップ の根拠：モーター内部のローター 1 回転には 64 ステップ（1-2 相励磁の場合） 必要で、ギア比 1/64（モーター 64 回転で出力軸 1 回転）なので、64 × 64 = 4096 ステップ でちょうど出力軸が 1 周します。1 ステップあたりの角度 は 360° ÷ 4096 ≒ 0.088°。これはサーボの「角度ジッタ ±1°」より遥かに精密 な世界です。

配線：ULN2003 ドライバボード経由で Pico に繋ぐ

28BYJ-48 + ULN2003 セット は配線が非常にシンプル。モーター → ドライバボードの白コネクタ はワンタッチで挿せて、ドライバボード → Pico は 4 本の信号線 だけで、電源 2 本は電池ボックス につなぎます。今回は IN1=GP8・IN2=GP9・IN3=GP10・IN4=GP11（連続した GP ピン）を使います。

ステップ1：4096 ステップでちょうど 1 回転させてみよう

まずは 「ステップ数」を直接指定するシンプルな例 から。「ステッパー IN1:GP8 IN2:GP9 IN3:GP10 IN4:GP11 ステップ数 4096 遅延 2 ms」 ブロックを 1 個置くだけ。実行ボタンを押すと、出力軸が ちょうど 1 周（360°） 回って止まります。遅延 2ms はステップ間の待ち時間で、これより短くするとモーターが追いつかず脱調（同期外れで止まる）するため 1〜5ms 程度が標準。

from machine import Pin
import utime
_st_pins = [Pin(p, Pin.OUT) for p in [8, 9, 10, 11]]
_st_seq = [[1,0,0,0],[1,1,0,0],[0,1,0,0],[0,1,1,0],
           [0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,0,0,1],[1,0,0,1]]
_st_n = abs(4096)
_st_dir = 1 if 4096 >= 0 else -1
for _s in range(_st_n):
    _st_i = (_s * _st_dir) % 8
    for _j in range(4):
        _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
    utime.sleep_ms(2)

動作確認のコツ：シャフトにマスキングテープを巻いて目印 を付けると、「カチカチカチ」 と小さな音を立てながら 約 8 秒かけて 1 周 する様子が観察できます。ULN2003 の 4 つの赤 LED も 順番に点灯パターンを変えている のが見えるので、「内部で 8 ステップシーケンスが動いている」 ことを目で確かめられます。ステップ数を負値（-4096） にすると逆転（反時計回り）に 1 周します。

ステップ2：90° ⇔ -90° を往復スイープしてみよう

ステッピングモーターの真骨頂は 「絶対角度を指定できる」 こと。「ステッパー角度」ブロック を使えば、「-360°〜+360°」を 1° 単位 で指定でき、内部で 「角度 × 4096 ÷ 360」 でステップ数に変換されます。今回は 「+90° 回す → 0.5 秒待つ → -90° 戻す → 0.5 秒待つ」 を forever ループで繰り返し、サーボのような往復動作 を再現します。

from machine import Pin
import utime
while True:
    _st_pins = [Pin(p, Pin.OUT) for p in [8, 9, 10, 11]]
    _st_seq = [[1,0,0,0],[1,1,0,0],[0,1,0,0],[0,1,1,0],
               [0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,0,0,1],[1,0,0,1]]
    _st_n = int(abs(90) * 4096 / 360)
    _st_dir = 1 if 90 >= 0 else -1
    for _s in range(_st_n):
        _st_i = (_s * _st_dir) % 8
        for _j in range(4):
            _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
        utime.sleep_ms(2)
    utime.sleep(0.5)
    # 逆方向 -90°
    _st_n = int(abs(-90) * 4096 / 360)
    _st_dir = 1 if -90 >= 0 else -1
    for _s in range(_st_n):
        _st_i = (_s * _st_dir) % 8
        for _j in range(4):
            _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
        utime.sleep_ms(2)
    utime.sleep(0.5)

動作確認のコツ：出力軸が 右に 90° → 左に 90° を 2 秒周期 で繰り返し、ちょうど レーダーアンテナのスイープ のような動きを見せます。「90 → 180 → 90」 のように 絶対位置ではなく相対回転 しているので、実用ロボットでは 「現在位置を変数 pos で記憶」 しておき、「目標位置 - 現在位置」 を毎回計算するパターンがよく使われます（演習 3 で扱います）。

角度のチューニング：「90° 指定したのに実際には 89.5° しか回らない」 ような誤差が出る場合があります。これは 28BYJ-48 のギア比が厳密には 1:63.68395（4096 ではなく 4076 ステップ/回転）のためで、精密用途では実機キャリブレーション（実際に何ステップで 1 回転するか目視測定 → 換算式を補正）が必要です。教育目的なら 「4096 ≒ 1 回転」 の近似で十分実用になります。

演習課題

課題3-14-1：ステップ角・回転速度・分解能の計算問題

ステッピングモーターの特性を 計算で理解 しましょう。28BYJ-48 + ULN2003（1-2 相励磁・出力軸 4096 ステップ/回転・遅延 2ms）を前提に答えてください。

問1： 出力軸を 180° 回すには何ステップ必要か。また、遅延 2ms の場合、180° 回るのに何秒かかるか計算せよ。
問2： 出力軸の 最大回転速度（rpm = 1分間の回転数） を求めよ。遅延 2ms の場合と 遅延 1ms の場合の両方を計算せよ。
問3： 3D プリンタのリードスクリュー（1 回転で 8mm 送り）に 28BYJ-48 を直結したとき、「Z 軸を 0.1mm だけ送る」 には何ステップ必要か。「このステッパーは Z 軸の精密送りに使える分解能を持っているか」 検証せよ。
問4： 28BYJ-48 のギア比は実は 1 : 63.68395（厳密値）であり、出力軸 1 回転 ＝ 64 × 63.68395 ≒ 4076 ステップ が正しい。ブロックで 「100 回転」 させたつもりが、実際には何回転になるか計算せよ。

# 問1: 180° 回すのに必要なステップ数と時間
# ステップ数 = 180 × 4096 / 360 = 2048 ステップ
# 所要時間  = 2048 × 2ms = 4096ms ≒ 4.1 秒

# 問2: 最大回転速度（rpm）
# 遅延 2ms: 1 ステップ 2ms → 4096 ステップで 8192ms = 8.192 秒/回転
#         → 60秒 / 8.192秒 ≒ 7.3 rpm
# 遅延 1ms: 1 ステップ 1ms → 4096 ステップで 4096ms = 4.096 秒/回転
#         → 60秒 / 4.096秒 ≒ 14.6 rpm
# ※ ただし遅延を短くしすぎると脱調するので実用は 2ms 程度

# 問3: 3D プリンタ Z 軸 0.1mm 送り
# リードスクリュー 8mm/回転 ÷ 0.1mm = 80 分の 1 回転
# 1 回転 = 4096 ステップ → 0.1mm = 4096 / 80 = 51.2 ステップ
# つまり 51 ステップ送ると 0.0996mm、52 ステップで 0.1016mm
# 1 ステップあたり 8 / 4096 = 約 0.00195mm の分解能
# → 0.1mm 送りに対して 51 か 52 ステップで誤差約 ±0.001mm
# → 3D プリンタ用途には少しトルク不足だが、分解能は十分

# 問4: ギア比誤差
# 100 回転をブロック指示 → 100 × 4096 = 409600 ステップ送る
# 実際の 1 回転は 4076 ステップなので → 409600 / 4076 ≒ 100.49 回転
# 100 回転指示に対して 0.49 回転 = 約 176° 多く回ってしまう
# → 精密用途では「4076 ステップ/回転」で換算する補正が必要

課題3-14-2：タクトスイッチを押すたびに 90° ずつ回そう

#03 で使ったタクトスイッチ（GP14・プルアップ） と組み合わせて、「ボタンを押すたびに 90° ずつ回転」 するインターフェースを作ります。4 回押すと 1 周 という分かりやすい挙動で、ロータリースイッチ・カラクリ仕掛け・ガチャ機構 の制御の基礎になります。

配線追加：ステッパー回路（GP8〜11 + 電池ボックス + GND）に加えて、タクトスイッチを3V3 + GP14（プルアップ）+ GND に繋ぎます。ステッパーの GP8〜11 とタクトスイッチの GP14 はぶつからない ので問題ありません。プルアップ回路の詳しい説明は #03 を参照。

▶ 模範解答と解説を見る

ブロックの組み合わせ例：

from machine import Pin
import utime
_btn14 = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
while True:
    if _btn14.value() == 0:
        _st_pins = [Pin(p, Pin.OUT) for p in [8, 9, 10, 11]]
        _st_seq = [[1,0,0,0],[1,1,0,0],[0,1,0,0],[0,1,1,0],
                   [0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,0,0,1],[1,0,0,1]]
        _st_n = int(abs(90) * 4096 / 360)
        _st_dir = 1 if 90 >= 0 else -1
        for _s in range(_st_n):
            _st_i = (_s * _st_dir) % 8
            for _j in range(4):
                _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
            utime.sleep_ms(2)
    utime.sleep(0.1)

解説： 動作確認のコツ：ボタンを 1 回チョン押し すると 「カチカチカチ…」と約 2 秒 かけて 90° 回ります。4 回押せば 1 周（360°）。シャフトに 4 等分の目印 を付けておくと「絶対角度が正確に決まる」 ステッピングモーターの強みが体感できます。発展：

• 2 つのボタンで時計回り/反時計回り：GP14 → 90°、GP15 → -90° で双方向操作
• チャタリング対策：押した瞬間に複数回検出される問題を utime.sleep_ms(50) で防ぐ（押した直後に少し待つ）
• 「押した回数を覚える」：変数 count に加算して、4 回押したら自動的に元の位置に戻る「カラクリ機構」を実装

課題3-14-3：超音波センサーで自動開閉する近接ゲートを作ろう

#09 の HC-SR04 と組み合わせて、「20cm 以内に近づくと 90° 開いて、離れると 0° に戻る」 自動ゲート（門）を作ります。#12 演習3 と同じ仕様 ですが、ステッピングモーターならではの工夫として 「現在位置を変数 state で記憶」 し、「同じ動作を 2 回繰り返さない（無駄回転防止）」 ロジックを入れます。

配線追加：ステッパー回路（GP8〜11 + 電池ボックス + GND）に加えて、HC-SR04 を3V3・GP14(TRIG)・GP15(ECHO)・GND に繋ぎます。ステッパー GP8〜11 と HC-SR04 GP14/15 はぶつからない ので、HC-SR04 の標準ピンのまま使えます。HC-SR04 は #09 と同じく 3.3V 版（HC-SR04+ / HC-SR04P）を 3V3 に直結する前提なので、分圧抵抗は要りません。

▶ 模範解答と解説を見る

ブロックの組み合わせ例：

from machine import Pin, time_pulse_us
import utime
state = 0
while True:
    _trig = Pin(14, Pin.OUT)
    _echo = Pin(15, Pin.IN)
    _trig.value(0); utime.sleep_us(2)
    _trig.value(1); utime.sleep_us(10); _trig.value(0)
    _t = time_pulse_us(_echo, 1, 30000)
    dist = _t / 58 if _t > 0 else -1
    if dist < 20:
        if state == 0:
            _st_pins = [Pin(p, Pin.OUT) for p in [8, 9, 10, 11]]
            _st_seq = [[1,0,0,0],[1,1,0,0],[0,1,0,0],[0,1,1,0],
                       [0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,0,0,1],[1,0,0,1]]
            _st_n = int(abs(90) * 4096 / 360)
            _st_dir = 1 if 90 >= 0 else -1
            for _s in range(_st_n):
                _st_i = (_s * _st_dir) % 8
                for _j in range(4):
                    _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
                utime.sleep_ms(2)
            state = 1
    else:
        if state == 1:
            _st_pins = [Pin(p, Pin.OUT) for p in [8, 9, 10, 11]]
            _st_seq = [[1,0,0,0],[1,1,0,0],[0,1,0,0],[0,1,1,0],
                       [0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,0,0,1],[1,0,0,1]]
            _st_n = int(abs(-90) * 4096 / 360)
            _st_dir = 1 if -90 >= 0 else -1
            for _s in range(_st_n):
                _st_i = (_s * _st_dir) % 8
                for _j in range(4):
                    _st_pins[_j].value(_st_seq[_st_i][_j])
                utime.sleep_ms(2)
            state = 0
    utime.sleep(0.3)

解説： 動作確認のコツ：手を 20cm 以内に近づけるとゲートが 「カチカチカチ…」と約 2 秒 かけて 90° 開き、手を離すと同じく 2 秒かけて閉じます。「すでに開いている状態でさらに手を近づけても、もう一度開かない」 のが state 変数のおかげ。ガレージのシャッター や 自動ドア と同じ 状態遷移制御（FSM）の入門例として、組み込みプログラミングの定番パターンです。発展：

• 3 段階開閉：dist<10 → 90°、dist<30 → 45°、それ以上 → 0° の 3 状態で段階的に開く
• 「タイムアウトで自動閉鎖」：開いたまま 5 秒経過したら強制的に閉じる安全機能を追加
• LCD で状態表示：#08 の I2C LCD を組み合わせて「状態: 開 / 距離: 15cm」を表示

まとめ

• ステッピングモーター は 「コイルを順番に励磁してローターを 1 ステップずつ回す」 「位置センサー不要・絶対角度制御可能」 なモーター。
• 28BYJ-48 + ULN2003 セットは教育用の定番。5V 動作・電源は電池ボックスから・約 240mA・ 出力軸 4096 ステップ/回転。
• 1-2 相励磁（半ステップ駆動） の 8 パターンシーケンス を順番に出力することでローターが滑らかに回る。逆順なら逆回転。
• PycoBlocks の 「ステッパー」「ステッパー角度」ブロック は内部でこのシーケンスを自動生成。ステップ数または角度を指定 するだけで使える。
• 角度指定の換算式：ステップ数 = 角度 × 4096 ÷ 360。1 ステップ ≒ 0.088° という高い分解能。
• 相対回転なので 「現在位置を変数で記憶」 しないと累積角度がズレる。実用ロボットでは FSM（状態機械） で動作を整理する。

#14 はモーター制御の最終回。サーボ・DC モーター・ステッピングモーターという 「アクチュエータ三銃士」 をすべて触りました。次回 #15 は Pico W 専用の Wi-Fi 入門。「LED をクラウドから ON/OFF する」 など、IoT の世界に踏み込みます。ハードウェア制御 → ネットワーク制御へ、新しい広がりにご期待ください。