Arduino 入門 Lesson 29 【ステッピングモーター編その２】

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Arduino 入門
Lesson 29
【ステッピングモーター編その2】

「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 29 【ステッピングモーター編その２】です。

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。

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名前の通りモーターです。パルス電力に同期して動作するモーター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…

Lesson 29では、ライブラリを使用せずにステッピングモーターを制御します。

ライブラリは電子部品の動作をあまり意識することなく簡単に制御することができます。

しかし、欠点があって「電子部品をスケッチ（コード）でどのように制御しているのかわからない」ということがあります。

わからなくても困らない場合もありますが本Lessonは入門編。

できるだけ電子部品の制御も理解したいと考えています。

そのため、Lesson 29ではライブラリを使用しません。

1つ1つの動作をスケッチに描くことで、ステッピングモーターの制御をより深く理解していきます。

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。

ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキットレベルアップチュートリアル付 mega2560 r3 nanoと互換 [並行輸入品]

ELEGOO

ELEGOO Arduino用のUNO R3 最終版スタータキット UNOチュートリアル付 (63 Items)

ELEGOO

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 Uno Rev3 A000066

Arduino (アルドゥイーノ)

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）

Arduino UNO R4 Minima [ABX00080] - Renesas RA4M1 - USB-C、CAN、DAC (12ビット)、OP AMP、SWDコネクター。

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino (アルドゥイーノ)

はじめに

ステッピングモーターの原理、使用する電子部品の説明はLesson 28にて解説しています。

まずは、Lesson 28を学習してからLesson 29に取り組むことをお勧めします。

ではさっそく本題に入ります。

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

この制御信号をステッピングモーターに与えれば制御できるということです。

パルスの数と、パルスの周波数というのを頭の片隅に置いておいてください！

これを踏まえたうえで、ステッピングモーターの制御をより深く理解していきましょう。

Lesson 28を学習されたかたは、途中は復習となりますので飛ばしてください。
サンプルスケッチ（コード）のところから読み始めるのが良いです。

Lesson 29 目標

本Lessonの目標は以下です。

１．より深くステッピングモーターの使い方を理解する。
２．ライブラリを使わない制御方法を理解する

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。

電子部品の種類はLesson 28と同じです。

詳細はLesson 28を確認してください。

Arduino 入門 Lesson 28 【ステッピングモーター編】

では、頑張って組み上げていきましょう。

必要なもの

下記に示した電子部品はLesson 28と同じとなります。

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。

数多くほしいかたは、4個セットなどもあります。
※こちらAmazon発送です。

VKLSVAN DC 5V ステッピングモータ+ 28BYJ-48 ULN2003ドライバーボードモジュールセット Arduino用 (4個セット)

VKLSVAN

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。

ELEGOO 120pcs多色デュポンワイヤー、arduino用ワイヤ—ゲ—ジ28AWG オス-メスオス-オスメス –メスブレッドボードジャンパーワイヤー

ELEGOO

短めが使いやすい場合も。

ブレッドボード・ジャンパーワイヤー 40*6ピン 10cm Emith デュポンケーブル Arduino Raspberry piに適用ジャンパー線 6本セット

Emith

抵抗も単品で揃えるよりはセットをおすすめします。

OSOYOO(オソヨー)金属皮膜抵抗器抵抗セット 10Ω~1MΩ 30種類各20本入り合計600本 (600本セット)

OSOYOO

ELEGOO 17値1％抵抗器、0オーム〜1Mオーム（525本）

ELEGOO

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。

OSOYOO(オソヨー) 電子工作基本部品セット LED 5色合計100PCS 金属皮膜抵抗器 30種類合計600本電解コンデンサ 12種類合計120本セラミックコンデンサー 30種類合計300本ダイオード 8種類合計100本トランジスタ 17種類合計170本 (電子部品セット6種類)

OSOYOO

使用部品説明

Lesson 28から新たに使う電子部品は特にありません。

詳細はLesson 28を参照ください。

28BYJ-48 ステッピングモーター
ULN2003ドライバモジュール

ステッピングモーター、ULN2003ドライバーモジュールの手持ちがない方はAmazonなどで下記が購入できます。

Zafina 電圧ステッピングモーター DC 5Vステッパーモーター 28BYJ-48 28BYJ48 ドライバーボード

Zafina

VKLSVAN DC 5V ステッピングモータ+ 28BYJ-48 ULN2003ドライバーボードモジュールセット Arduino用 (4個セット)

VKLSVAN

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

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制御方法

下記はLesson 28にて解説していますが、ライブラリを使用せずに制御するためには理解する必要があるため、再度解説しておきます。

ここからはLesson 28の復習となります。

すでに、学習した方は飛ばしてください！

●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。

１．青　２．桃　３．黄　４．橙

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。

それぞれ、必要に応じて選択します。

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。

ドライバーモジュール接続例

Lesson 28復習を兼ねて、再度ULN2003Aとステッピングモーターの接続例を示します。

こちらも、Lesson 28の復習！

実践回路作成とコード作成

回路はLesson 28と同じものを使用します。

Lesson 28を学習されたかたは、回路をそのまま使用することができます。

Lesson 28との違いはスケッチの内容のみです。

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。

Arduino 入門番外編 02 【外観とピン配置】

本日は、番外編02 Arduino UNO R3 外観とピン配置です。arduinoの入門編を書いていて、arduino自体の説明をしたいと考えていました。やはり、arduino自身のことを理解しておいた方が良いですよね。ということで番外編…

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）

Arduinoを損傷させないために
ドライバモジュールの電源は電源モジュールから供給。

回路図がこちら。

Lesson 28とまったく同じです。

こちらがブレッドボード図。

こちらもLesson 28と同じです。

電源モジュールにはDCプラグから9Vの電池（ACアダプタでも可）でつなぎます。
ブレッドボードへの電源供給は、電源モジュールの左上、左下にある＋、－端子をブレッドボードの上下のVCCとGNDに挿入することで供給されます。

電源モジュールの出力は5Vとする。

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。

Arduino 入門番外編 01 【回路図を書こう fritzing】

UNOの実際の回路を写真で掲載しても、接続がわかりずらいかなと考えていました。前々から「fritzing」を利用して回路を描くことで、わかりやすくしたいと考えていました。そこで本日は、「fritzing」のインストールと回路図を描くことに挑…

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。

こちらも、Lesson 28と同じです。

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。

スケッチ（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ではライブラリを使用せずにステッピングモーターを制御します。

サンプルコードは3つ。

3種類ある励磁方式のスケッチ（コード）を考えてみました。

1相励磁方式
2相励磁方式
1-2相励磁方式

コマンド説明

特に新しくででくるコマンドはありません。

今までの学習範囲内でわかるコマンドのみで簡単なスケッチ（コード）としました。

サンプルコードについて

サンプルスケッチ（コード）は各励磁方式の真理値表の動作をそのまま表現しました。

理解しやすいように単純なスケッチです。

LEDの点灯で各励磁方式の真理値表に沿って制御されているのがわかります。

LEDの点灯を確認したい場合は下記の設定値を大きくしてください。

また、モーターの回転を速くしたい場合は下記設定値を小さくしてください。

int wait_time = 100;

※補足
ステッピングモーターは使用できる周波数範囲を外れると「脱調」といってモーターの回転がスピードについていかずうまく回転しない現象が起きます。
動かない場合は、wait_timeの設定値を変更してみてください。

最初に解説しましたが、ステッピングモーターは下記の制御が必要です。

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

回転速度はスケッチ内の「wait_time」で制御できるようになっています。

回転角度はstepをループさせているだけのため永遠に回る状態です。

回転角度は「パルスの数＝ stepの数」で制御できます。

制御したい場合は、void loop()内でfor文などを使って、loopの回数を制限してみてください。

for文の後にdelay()関数を入れて止めておくなどすればわかりやすいと考えます。

回転角度を制御を確認できるはずです。

ちなみにloopの回数を何回にすれば、1回転しますか？

Lesson 28にて1回転に必要なStep数を解説しています。

コード内では、4stepまたは8stepを1つの動作として記述しています。

そのため、

1回転するためのloop回数
　＝　1回転に必要なstep数/4stepまたは8step

となります。

そのため、1回転するためのloop回数/4の数だけloopさせてあげれば45度回転するはずです。

ぜひトライしてみてください。

サンプルスケッチ１

1相励磁方式にて制御しているスケッチとなります。

//Lesson 29 ステッピングモーター編 その２
//1相励磁方式　サンプルスケッチ（１）
//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

const int PIN_B = 11;
const int PIN_P = 10;
const int PIN_Y = 9;
const int PIN_O = 8;

void setup()
{
pinMode(PIN_B, OUTPUT); //11番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_P, OUTPUT); //10番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_Y, OUTPUT); // 9番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_O, OUTPUT); // 8番ピンを出力モードにする
}

void loop()
{
//wait時間[ms], 回転速度を決めるパルスの周期
int wait_time = 100;

//真理値表に従って、B->P->Y->Oの順番で励磁
//1相励磁方式 4step/1動作
//step1
digitalWrite(PIN_B, 1); 
digitalWrite(PIN_P, 0);
digitalWrite(PIN_Y, 0);
digitalWrite(PIN_O, 0);
delay(wait_time);

//step2
digitalWrite(PIN_B, 0);
digitalWrite(PIN_P, 1);
digitalWrite(PIN_Y, 0);
digitalWrite(PIN_O, 0);
delay(wait_time);

//step3
digitalWrite(PIN_B, 0);
digitalWrite(PIN_P, 0);
digitalWrite(PIN_Y, 1);
digitalWrite(PIN_O, 0);
delay(wait_time);

//step4
digitalWrite(PIN_B, 0);
digitalWrite(PIN_P, 0);
digitalWrite(PIN_Y, 0);
digitalWrite(PIN_O, 1);
delay(wait_time);
}

サンプルスケッチ2

2相励磁方式にて制御しているスケッチとなります。

//Lesson 29 ステッピングモーター編 その２
//2相励磁方式　サンプルスケッチ（２）
//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

const int PIN_B = 11;
const int PIN_P = 10;
const int PIN_Y = 9;
const int PIN_O = 8;

void setup()
{
pinMode(PIN_B, OUTPUT); //11番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_P, OUTPUT); //10番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_Y, OUTPUT); // 9番ピンを出力モードにする
pinMode(PIN_O, OUTPUT); // 8番ピンを出力モードにする
}

void loop()
{
//wait時間[ms], 回転速度を決めるパルスの周期
int wait_time = 100;

//真理値表に従って、B->P->Y->Oの順番で励磁
//2相励磁方式　4step/1動作
//step1
digitalWrite(PIN_B, 1); 
digitalWrite(PIN_P, 0);
digitalWrite(PIN_Y, 0);
digitalWrite(PIN_O, 1);
delay(wait_time);

//step2
digitalWrite(PIN_B, 1);
digitalWrite(PIN_P, 1);
digitalWrite(PIN_Y, 0);
digitalWrite(PIN_O, 0);
delay(wait_time);

//step3
digitalWrite(PIN_B, 0);
digitalWrite(PIN_P, 1);
digitalWrite(PIN_Y, 1);
digitalWrite(PIN_O, 0);
delay(wait_time);

//step4
digitalWrite(PIN_B, 0);
digitalWrite(PIN_P, 0);
digitalWrite(PIN_Y, 1);
digitalWrite(PIN_O, 1);
delay(wait_time);
}

サンプルスケッチ3

1-2相励磁方式にて制御しているスケッチとなります。

//Lesson 29 ステッピングモーター編 その２
//1-2相励磁方式　サンプルスケッチ（３）
//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

const int PIN_B = 11;
const int PIN_P = 10;
const int PIN_Y = 9;
const int PIN_O = 8;

void setup()
{
  pinMode(PIN_B, OUTPUT); //11番ピンを出力モードにする
  pinMode(PIN_P, OUTPUT); //10番ピンを出力モードにする
  pinMode(PIN_Y, OUTPUT); //9番ピンを出力モードにする
  pinMode(PIN_O, OUTPUT); //8番ピンを出力モードにする
}

void loop()
{
  //wait時間[ms], 回転速度を決めるパルスの周期
  int wait_time = 100;
  //真理値表に従って、B->P->Y->Oの順番で励磁
  //1-2相励磁方式　8step/1動作
  //step1
  digitalWrite(PIN_B, 1);
  digitalWrite(PIN_P, 0);
  digitalWrite(PIN_Y, 0);
  digitalWrite(PIN_O, 1);
  delay(wait_time);
  //step2
  digitalWrite(PIN_B, 1);
  digitalWrite(PIN_P, 0);
  digitalWrite(PIN_Y, 0);
  digitalWrite(PIN_O, 0);
  delay(wait_time);
  //step3
  digitalWrite(PIN_B, 1);
  digitalWrite(PIN_P, 1);
  digitalWrite(PIN_Y, 0);
  digitalWrite(PIN_O, 0);
  delay(wait_time);
  //step4
  digitalWrite(PIN_B, 0);
  digitalWrite(PIN_P, 1);
  digitalWrite(PIN_Y, 0);
  digitalWrite(PIN_O, 0);
  delay(wait_time);
  //step5
  digitalWrite(PIN_B, 0);
  digitalWrite(PIN_P, 1);
  digitalWrite(PIN_Y, 1);
  digitalWrite(PIN_O, 0);
  delay(wait_time);
  //step6
  digitalWrite(PIN_B, 0);
  digitalWrite(PIN_P, 0);
  digitalWrite(PIN_Y, 1);
  digitalWrite(PIN_O, 0);
  delay(wait_time);    
  //step7
  digitalWrite(PIN_B, 0);
  digitalWrite(PIN_P, 0);
  digitalWrite(PIN_Y, 1);
  digitalWrite(PIN_O, 1);
  delay(wait_time);
  //step8
  digitalWrite(PIN_B, 0);
  digitalWrite(PIN_P, 0);
  digitalWrite(PIN_Y, 0);
  digitalWrite(PIN_O, 1);
  delay(wait_time);
}