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【Raspberry Pi Pico入門⑤】ステッピングモータの制御【ULN2003APG】

今回はステッピングモータの概要と制御方法について学んでゆきます。

ステッピングモータの制御～ULN2003APG

前回はこちらです

ステッピングモータ

ステッピングモータは、パルスモータ、ステップモータ、ステッパーモータとも呼ばれ、プリンタのヘッド移動やスロットマシンのリール制御、3Dプリンタのヘッド移動などに使用されています。

本実験では、ROHS社の「28BYJ-48」を使用します。

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g113256/

基本原理

ステッピングモータは、4本または6本の配線が接続されており、入力されたパルス電力によって回転します。

DCモータとは異なり、ステッピングモータは単純に電圧をかけるだけでは回転しません。

そのため、ステッピングモータの駆動・制御には、必ずドライバ回路が必要です。

ステッピングモータは、入力されたパルス数に比例した角度だけ回転するため、細かな回転角の制御が可能です。

特徴

  • ステップ角：モータの構造によって、1パルスで回転する角度が決まっています。例えば、40度回転させたい場合は、40度をステップ角で割った数だけパルスを送ります。
  • 保持トルク：停止時にも一定のトルクがあり、小さな力では軸が回転しません。
  • 位置制御：入力されたパルス数に比例して回転するため、位置決めの誤差が累積しません。
  • 角速度制御：入力されたパルスの周波数に比例して回転速度が変化します。
  • オープンループ制御：センサーを使わずに制御が可能です。

配線と駆動回路

ステッピングモータにはバイポーラ結線とユニポーラ結線があり、制御方法が異なります。

バイポーラ結線

  • 特徴：電流の流れる方向を変更する必要があるため、Hブリッジが2セット使用されます。
  • 駆動回路：複雑ですが、高いトルクと効率が得られます。

ユニポーラ結線

  • 特徴：駆動回路が単純で、バイポーラよりも簡単に制御できます。
  • 駆動回路：トランジスタやMOSFETを用いた簡単な回路で駆動できます。
  • 本実習：ユニポーラ式のステッピングモータの駆動回路を実装します。

ステッピングモータの制御例

  • 40度回転：ステップ角が5度の場合、40度÷5度＝8パルスを送信します。
  • 角速度制御：パルスの周波数を変えることで、回転速度を制御します。

ユニポーラ結線ステッピングモータの駆動回路

ステッピングモータの駆動方法には、オンにする電磁石の組み合わせによって以下の3種類の制御方法があります：

1相励磁（1相駆動）

  • 特徴：1つの電磁石のみを駆動させる制御方法。
  • メリット：消費電力が小さい。
  • デメリット：トルクも小さい。

2相励磁（2相駆動）

  • 特徴：2つの電磁石を同時に駆動させる制御方法。
  • メリット：トルクが大きい（1相励磁と比較して√2倍のトルク）。
  • デメリット：消費電力が大きく、発熱も大きくなる。

1-2相励磁

  • 特徴：1相励磁と2相励磁を交互に行う制御方法。
  • メリット：分解能が倍になる。
  • デメリット：トルクが脈動してしまう。

マイクロステップ

  • 特徴：モータの励磁電流を0と1ではなく、無段階のサイン波で駆動する手法。
  • メリット：高分解能、静寂性、高回転が可能。

駆動回路の動作

駆動回路が1秒間に発するパルスの回数を「パルスレート」または「パルス周波数」といいます。パルスレートが高すぎたり、負荷トルクが大きすぎたりするとモータを始動させることができません。このときの始動できるトルクの大きさを「引込トルク」といい、パルスレートに依存します。

  • 最大自起動周波数：始動できるパルスレートの上限。
  • 最大連続応答周波数：運転できるパルスレートの上限。

駆動回路の作成

市販のステッピングモータドライバを使用すると手軽に駆動できます。

ステッピングモータへのスイッチングは電流が多く流れる為、直接行うことが出来ません。

今回はArduinoキットに含まれている、ULN2003APGという回路を使用します。

ULN2003APGのデータシート

https://www.tyro-teq.com/show_datasheet?path=/ds/pdf/u/0094/ULN2003APGSCHZ.pdf

この回路はIN1～IN4のデジタル入力の状況によって、モータの出力をそれぞれON,OFFを切り替えてくれます。

この回路の電源はマイコンからではなく、別途電池や安定化電源で供給しましょう。

配線例はは以下の通り行います。

制御プログラム

無限に正転を行うプログラムを下記に示します。

Pico         ULN2003基板
─────────────────────────
GP10  ───→  IN1
GP11  ───→  IN2
GP12  ───→  IN3
GP13  ───→  IN4
GND   ───→  GND
              +5V ←── 外部電源
              モータコネクタ ──→ 28BYJ-48

# ============================================
# ステッピングモータ 28BYJ-48 を回すプログラム
# ============================================

from machine import Pin
from time import sleep_ms

# IN1〜IN4のピン設定
IN1 = Pin(10, Pin.OUT)
IN2 = Pin(11, Pin.OUT)
IN3 = Pin(12, Pin.OUT)
IN4 = Pin(13, Pin.OUT)

# 励磁パターン（2相励磁・4ステップ）
# 1ステップごとに IN1〜IN4 をこの順番でON/OFFする
seq = [
    [1, 1, 0, 0],
    [0, 1, 1, 0],
    [0, 0, 1, 1],
    [1, 0, 0, 1],
]

# 回転速度（数字を小さくすると速くなる、単位：ミリ秒）
v = 2

# メインループ：ずっと正転し続ける
while True:
    
    # 4つのパターンを順番に出力する
    for pattern in seq:
        IN1.value(pattern[0])
        IN2.value(pattern[1])
        IN3.value(pattern[2])
        IN4.value(pattern[3])
        sleep_ms(v)

仕様書によると今回使用したモータは減速機も内蔵されており、1-2相励磁で制御した場合は1パルスで5.625/64=0.087890625°回転します。

つまり4096ステップで1回転することになり、

上記のプログラムは1相励磁で1ループで4ステップの出力が行われる為、512ループで1回転します。

送るパルスは早すぎるとモーター側の回転が追い付かなくなり、1周回りきらなくなる場合があるので注意が必要です。

課題12

ステッピングモータとドライバ回路を使用し、プッシュスイッチ1を押すと右に1回転、2を押すと左に1回転するプログラムを作成せよ。

解答例はこちら

配線（追加分）

部品Picoのピン
プッシュスイッチ1：片側GP14
プッシュスイッチ1：もう片側GND
プッシュスイッチ2：片側GP15
プッシュスイッチ2：もう片側GND
# ============================================
# プッシュスイッチでステッピングモータを回す
#   SW1を押す → 右に1回転
#   SW2を押す → 左に1回転
# ============================================

from machine import Pin
from time import sleep_ms

# モータ用のピン設定（IN1〜IN4）
IN1 = Pin(10, Pin.OUT)
IN2 = Pin(11, Pin.OUT)
IN3 = Pin(12, Pin.OUT)
IN4 = Pin(13, Pin.OUT)

# プッシュスイッチのピン設定（内部プルアップ使用）
sw1 = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
sw2 = Pin(15, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

# 正転用の励磁パターン（2相励磁）
seq_forward = [
    [1, 1, 0, 0],
    [0, 1, 1, 0],
    [0, 0, 1, 1],
    [1, 0, 0, 1],
]

# 逆転用の励磁パターン（順番を逆にしたもの）
seq_reverse = [
    [1, 0, 0, 1],
    [0, 0, 1, 1],
    [0, 1, 1, 0],
    [1, 1, 0, 0],
]

# 回転速度（数字を小さくすると速くなる）
v = 2

# 1回転に必要なステップ数（2相励磁：512回×4ステップ）
STEPS_PER_REV = 512

# --------------------------------------------
# モータを1回転させる関数
# --------------------------------------------
def rotate_one_turn(seq):
    # 512回、パターンを繰り返す
    for _ in range(STEPS_PER_REV):
        # 4ステップのパターンを順番に出力
        for pattern in seq:
            IN1.value(pattern[0])
            IN2.value(pattern[1])
            IN3.value(pattern[2])
            IN4.value(pattern[3])
            sleep_ms(v)

# --------------------------------------------
# メインループ
# --------------------------------------------
while True:
    
    # スイッチ1が押されたら正転で1回転
    if sw1.value() == 0:
        print("右に1回転")
        rotate_one_turn(seq_forward)
    
    # スイッチ2が押されたら逆転で1回転
    if sw2.value() == 0:
        print("左に1回転")
        rotate_one_turn(seq_reverse)
    
    # CPU負荷軽減のため少し待機
    sleep_ms(10)

次回はこちら

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