Arduino 入門 Lesson 28 【ステッピングモーター編】

「Arduino」を使ったマイコンプログラミングを子供と一緒に学習するブログ。

少しずつ、子供と一緒に楽しみながら気長にアップしてく予定です。

 

本記事はLesson 28 【ステッピングモーター編】です。

ステッピングモーターはモーターです。

ただし、Lesson 09、Lesson 26で解説したモーターとは異なります。

 

パルス電力に同期して動作するモーターです。

そのため、パルスモーターとも呼ばれます。

 

このパルスと呼ばれる電力信号がステッピングモーターの肝となります。

「パルスの電力信号って何？」と思うかもしれません。

これは、モーターをパルスで制御するというだけです。

これは以前に学習した「PWM」で制御するということとほぼ同義になります。
※Pulse Width Modulation（パルス幅変調）

Lesson 04 【RGBダイオード制御編】にて学習しました。

本Lessonに入る前に、一度復習しておくと理解の助けとなると考えます。

Arduino 入門 Lesson 04 【RGBダイオード制御編】

RED LEDを使い、RED LEDの各輝度を変更する作業を通して、RED LEDの色が３色以外の色になっていることを確認します。輝度の変更はパルス幅変調（PWM）にて制御します。これは「LEDがONしている時間を制御する」ということです。…

omoroya.com

 

Arduino入門編の解説にて使用しているArduinoは互換品です。

互換品とは言え、Arduinoはオープンソースであり複製して販売するのもライセンス的に問題なし。

そのため互換品の品質も悪くなく、それでいて値段は安いです。

正規品本体の値段程度で豊富な部品が多数ついています。

正規品（Arduino UNO R3）の本体単品がほしい方はこちらとなります。

 

Arduino入門編2では「Arduino UNO R4 Minima」「Arduino UNO R4 WIFI」にて遊ぶため今のところは正規品を使用。（まだ互換品が・・・ほぼない）

 

 

はじめに

まず、ステッピングモーターの意味、原理をWikipediaで確認してみましょう。

Wikipedia ステッピングモーター

ステッピングモーター(Stepper motor)は、パルス電力に同期して動作する同期電動機である。したがってパルスモーター(Pulse motor)とも言われる。簡単な回路構成で、正確な位置決め制御を実現できるので、装置の位置決めを行う場合などによく使われる。

「パルス電力に同期して動作する」とあります。

ステッピングモーターの動作は以下の2つで制御されます。

• 回転角度：パルスの数で制御
• 回転速度：パルスの速度（周波数）で制御

 

PWM制御でと考えると複雑に思うかもしれません。

Arduinoの良いところはライブラリを使用するため制御を意識することはありません。

 

ライブラリを使ってしまうと、実際の制御を理解できないという欠点があります。

しかし、まずは動かして遊んでみたいのでライブラリを使います。

次回Lessonにて、ライブラリを使わない制御にも取り組んでいきます。

 

これまで学習したモーターとの違いを簡単に記載しておきます。

といったところでしょうか。

 

また、DCモーター同様に駆動させるためには一定の大きさの電流が必要になります。

そのため、Arduinoの出力信号では能力不足となります。

駆動能力を補うため、ステッピングモーター用のドライバICを使用するのが一般的です。

 

Lesson 28 目標

本Lessonの目標は以下です。

今回も遊ぶことを最大の目標に楽しみましょう！

 

準備

ではLessonの準備に取り掛かりましょう。

部品点数は多くないため、接続は簡単です。

頑張って組み上げていきましょう。

 

必要なもの

• USB接続用のPC（IDE統合環境がインストールされたPC）
  →管理人が勝手に比較したBTOメーカーを紹介しています。
• UNO R3(以下UNO)、おすすめUNO互換品（ELEGOO）
• PCとUNOを接続するUSBケーブル
• ブレッドボード安価（大）、ブレッドボード安価（中）
  ※おすすめブレッドボード（大）、おすすめブレッドボード（中）
• ステッピングモーターとドライバモジュール 安価品
• 電源モジュール
• 電源モジュールに供給する電源（９Vの電池、ACアダプタなど）
  ACアダプタ 9V/1A

Amazonでは、ステッピングモーターとドライバモジュールがセットで売られています。

こちらAmazon発送です。

 

Jumper wire、抵抗は今後も頻繁に利用します。

Jumper wireはできれば、「オス-メス オス-オス メス –メス」の３種類を揃えておくことをお勧めします。

短めが使いやすい場合も。

 

抵抗も単品で揃えるよりはセットをおすすめします。

 

抵抗、LEDなどを個別でセット品を購入しても、そんなに使わない！

という方は、「電子工作基本部品セット」が使い勝手が良い。

 

使用部品説明

新たに登場した部品について説明していきます。

本Lessonで新しく登場する部品は以下となります。

• 28BYJ-48 ステッピングモーター
• ULN2003ドライバモジュール

 

以下の部品に関しては、Lesson 26にて解説していますのでご確認ください。

• 電源モジュール

 

ステッピングモーター 実物写真

下の写真が、ステッピングモーターです。

型名：28BYJ-48

制御用のドライバモジュールに接続できるようにコネクト端子がついています。

 

ちなみに、ELEGOO UNO キットには合わせて梱包されています。

 

ステッピングモーター原理

ステッピングモーターの原理を解説すると膨大になります。

膨大すぎて、管理人には説明しきれません・・・。

そこで、学習できるサイトをさがしました。

 

下記サイトはe-ラーニングでステッピングモーターについて学習できます。

興味のある方はご確認ください。

東芝半導体＆ストレージ製品情報サイト　「ステッピングモータ」

 

ここでは簡単に分類だけ解説しておきます。

 

●回転子（軸）の種類で分類

• PM型（Permanent Magnet Type、永久磁石）
• VR型（Variable Reluctance Type、歯車状鉄心形）
• HB型（Hybrid Type、複合形）

 

●コイルへの電流の流し方での分類

• ユニポーラ型（単極性）
• バイポーラ型（双極性）

 

本Lessonで使用する「28BYJ-48」は、PM型/ユニポーラ型となります。

 

ステッピングモーター 仕様

本Lessonで使用してるステッピングモーター型番は「28BYJ-48」。

ELEGOO UNO キットに梱包されているモーターとなります。

データシートはDigi-keyなどで確認ができます。
https://www.digikey.jp/ja/datasheets/mikroelektronika/mikroelektronika-step-motor-5v-28byj48-datasheet

 

ここでは代表的な仕様のみ記載します。

詳細はデータシートをご確認ください。

 

●ステッピングモーター仕様「28BYJ-48」

項目	仕様
型名	28BYJ-48
種類	ユニポーラ型
定格電圧	5V
フェーズ数	4
ギア比	64：1
ステップ角	64ステップで5.625度回転 ハーフステップモード
周波数	100Hz
DC抵抗	50Ω±7%
結線	5線式

※ハーフステップモード：ステップ角が基本ステップ角度の1/2の角度で駆動する方式
※ギア比：ローター（中心軸）が64回転で車軸（表に出ている軸）が1回転

 

●励磁方式

「28BYJ-48」は下図に示すようにフェーズ数が4相となっています。

 

この相への電流のかけ方は３種類あります。

• 1相励磁（4 step が1つの動作のかたまり）
  パルス（電流）を順番に与えていく方式
  制御が簡単だが、安定性が良くない。

step　→	1	2	3	4
IN1（青）	ON	–	–	–
IN2（桃）	–	ON	–	–
IN3（黄）	–	–	ON	–
IN4（橙）	–	–	–	ON

 

• 2相励磁（4 step が1つの動作のかたまり）
  次の相と1パルスずつずらして同時に励磁する方式
  1相励磁に比べて安定しているが消費電力も2倍

step　→	1	2	3	4
IN1（青）	ON	ON	–	–
IN2（桃）	–	ON	ON	–
IN3（黄）	–	–	ON	ON
IN4（橙）	ON	–	–	ON

 

• 1-2相励磁（8 step が1つの動作のかたまり）
  1相励磁と2相励磁を交互に繰り返す方式
  1相励磁、2相励磁に対して回転角度が半分

step　→	1	2	3	4	5	6	7	8
IN1（青）	ON	ON	ON	–	–	–	–	–
IN2（桃）	–	–	ON	ON	ON	–	–	–
IN3（黄）	–	–	–	–	ON	ON	ON	–
IN4（橙）	ON	–	–	–	–	–	ON	ON

 

以上、簡単に励磁方式の特徴を羅列してみました。

それぞれ、必要に応じて選択ということでしょうか。

•  1相励磁方式：
  • トルクが弱い
  • 回路が簡単(低コスト)
• 2相励磁方式
  • トルクが強い
  • 回路が多少複雑
• 1-2相励磁方式
  • 細かいモーター制御が可能
  • 回路が複雑(高コスト)

 

 

●回転角度について

ステッピングモーターの仕様から以下のことが言えます。

 

●1-2相励磁の場合

8 step × 8 = 64 stepで中心軸が1回転。

そのため、実際の車軸（外に出ている軸）を1回転させるのに必要なstep数は下記となります。

64 step × 64（ギア比） = 4096 step

となり、4096 stepで1回転することになります。

 

●2相励磁方式の場合（1相も同じ）

4 step × 8 = 32 stepで中心軸が1回転。

そのため、実際の車軸（外に出ている軸）を1回転させるのに必要なstep数は下記となります。

32 step × 64（ギア比） = 2048 step

となり、2048 stepで1回転することになります。

 

本Lessonでは2相励磁方式での制御となります。

2048 stepで1回転を頭の片隅に置いておいてください。

 

ドライバーモジュール 実物写真

こちらが、ドライバモジュール実物写真。

ULN2003AのドライバICが搭載されています。

 

ドライバモジュール 仕様

本Lessonで使用してるドライバーモジュールは「ULN2003AのICを使用」。

ELEGOO UNO キットに梱包されているドライバモジュールとなります。

 

ここでは代表的な仕様のみ記載します。

詳細はデータシートをご確認ください。

 

●ドライバモジュール仕様「ULN2003A」

項目	仕様
型名	ULN2003A
コレクタ定格電流	500mA
出力クランプ・ダイオード ※保護ダイオードのことです。	あり

※詳細仕様はTexas Instrumentsで確認ができます。
http://www.tij.co.jp/product/jp/ULN2003A/technicaldocuments

 

●接続例

下記にULN2003Aとステッピングモーターの接続例を示します。

 

●ドライバモジュール概要

下記にドライバーモジュールの概要を示します。

基本構成は、下記４つをまとめたモジュールです。

1. ULN2003AのドライバIC
2. Arduinoから出力を受け取る入力
3. ステッピングモーターへの出力
4. 動作状態を確認できるLED
5. 電源

 

実践 回路作成とコード作成

最初に回路図を確認してください。

次に、回路図に合わせて部品を接続します。

最後にコードを書いて、ステッピングモーターを動かしていきましょう。

 

Arduinoのピン配置を確認したい方は番外編02を参照してください。

 

回路図

ドライバモジュールのコネクトピンにステッピングモーターを接続。

Arduinoはデジタル入出力ピンの8，9，10，11番ピンを使用しドライバーモジュールに接続。

８番ピン　⇒　IN4（ドライバモジュール）
９番ピン　⇒　IN3（ドライバモジュール）
10番ピン　⇒　IN2（ドライバモジュール）
11番ピン　⇒　IN1（ドライバモジュール）

 

回路図がこちら。

 

こちらがブレッドボード図。

 

回路図は「fritzing」を利用しています。

「fritzing」の使い方は下記を参照してください。

 

接続

下図に示すように、用意した部品を使用して接続しましょう。

部品はステッピングモーター、ドライバモジュール（ULN2003A）、電源モジュールとなります。

部品点数が少ないため、接続は簡単です。

 

使用するポートは、デジタルピンは「8，9，10，11」です。

穴に挿入しづらいときは、ラジオペンチなどを使用してください。

 

 

コードの書き込み

接続が終わったら、USBケーブルを使用してUNOにプログラムを書き込んで行きましょう。

コードを書き終えたら、いつでも利用できるように「ファイル」⇒「名前を付けて保存」で保存しておきましょう。

 

本Lessonではライブラリ「Stepper.h」を使用します。

このライブラリは標準ライブラリです。

IDEに標準で搭載されていますので、そのまま使用できるはずです。

 

使用できない場合は、下記を参照して使えるようにしておきましょう。

Arduino 入門 Lesson 01 【ライブラリインストールおよびPCとの接続編】

ライブラリはセンサなどの部品を簡単にArduinoに接続して使用するためのコードの集まりです。接続はArduinoにコードをアップデートするために、COMポートを設定し、PCとArduinoを接続する作業です。ここではライブラリの追加方法（…

omoroya.com

 

コマンド説明

本Lessonでは、「Stepper.h」のライブラリを使用します。

このライブラリのコマンドについて解説します。

コマンド	内容
Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4)	Arduinoボードに接続されているステッパモータを表すStepperクラスのインスタンスを新たに生成。 setup()とloop()より前で定義。steps：1回転あたりのステップ数 (int) pin1, pin2, pin3, pin4：モータに接続されているピンの番号 戻り値：作成したインスタンス例 myStepperというインスタンスを生成。 100ステップ、Arduinoのピンは8，9，10，11を定義。 Stepper myStepper(100, 8, 10, 9, 11);
Stepper:setSpeed(rpms)	モータの速さを毎分の回転数(RPM)で設定。 rpms：1分間あたりの回転数　正の数 (long) 戻り値：なし 例 スピードを20RPMにセット ※インスタンス名 myStepperで定義済みの場合 myStepper.setSpeed(20);
Stepper:step(steps)	setSpeed()で設定した速さで、指定したステップ数だけモータを回す。 steps：モーターが回転するステップ数。逆回転は負を設定（int） 戻り値：なし 例　1000ステップモーターを回す。 ※インスタンス名 myStepperで定義済みの場合 myStepper.step(1000);

ライブラリを使用することで、励磁方式等々を意識することなく使用できます。

これがArduinoの良いところですね。

ただし、実際の動作シーケンスを理解できないという欠点があります・・・。

 

サンプルコード

GitHubにステッピングモーターを動かすサンプルコードがあります。

参考にしてみてください。

GitHub - arduino-libraries/Stepper: Stepper Library for Arduino

Stepper Library for Arduino. Contribute to arduino-libraries/Stepper development by creating an account on GitHub.…

github.com

 

本Lessonでは、上記のサンプルコードを参考にわかりやすくするために簡潔にしました。

一定のスピードで90度づつ回転するスケッチとなります。

 

また、スケッチ内で電流を遮断するコードを記載しています。

これは、静止状態が「その状態を維持する」という状態であり、維持するために電流が流れ続けてしまうからです。

それなりに電流が流れ発熱しますので、90度回転後はその状態を維持するのではなく電流を遮断するようにしています。

 

//Lesson 28 ステッピングモーター編
//ライブラリ使用によるスケッチ
//https://omoroya.com/

// 電子部品
// 電源モジュール,ドライバモジュール（ULN2003A）,ステッピングモーター

//ライブラリインクルード
#include <Stepper.h>

// ステッピングモータが1回転するのに必要なステップ数を定義
//2相励磁方式で制御するため2048 step で1回転
const int MOTOR_STEPS = 2048; 

//1回転あたりのステップ数と接続するピンの設定
Stepper myStepper(MOTOR_STEPS, 8, 10, 9, 11);
 
void setup() { 
  myStepper.setSpeed(10); // 10回転/1分に設定 rpm（1分あたりの回転数）
  }
  
void loop() { 
  myStepper.step(512);    // 512ステップで90度回転
  
  // 静止時には電流を遮断する。 
  digitalWrite(8,  LOW); 
  digitalWrite(9,  LOW); 
  digitalWrite(10, LOW); 
  digitalWrite(11, LOW); 
  
  delay(500);            //90度回転したら500ms待つ
}

 

動作確認

では、さっそく動作を確認していきます。

90度回転、0.5秒止まる　→　90度回転、0.5秒止まる　→　・・・

の繰り返しとなるはずです。

※gifで作成しているため、容量圧縮のため画像サイズは小さくしてあります。

 

まとめ

今回は以下の内容について理解してもらいました。

 

いかがだったでしょうか。

ステッピングモーターは3Dプリンタなどでも使われています。

使い方をマスターできれば、色々なもの作りに応用ができそうです。

 

Lesson 28 【ステッピングモーター編】 はここまで。

ステッピングモーター

応用するにはもっと理解する必要がありそうです。

 

疑問点、質問などありましたら気軽にコメントください。

 

次回、Lesson 29は【ステッピングモーター編　その２】 です。

本Lessonではライブラリを使用しましたが、動作理解のためにライブラリを使用しないスケッチにも挑戦ます。

Arduino 入門 Lesson 29 【ステッピングモーター編 その２】

本記事はLesson 29 【ステッピングモーター編 その２】。Lesson 28では、ライブラリを使いステッピングモーターを制御しました。Lesson 29では励磁方式の制御を1つ1つスケッチに描くことで、ステッピングモーターの動作をより…

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