Arduinoでステッピングモータの制御｜ユニポーラ型「28BYJ-48」と「ULN2003」ドライバ
こんなこと、やります。
- Arduinoでユニポーラ型のステッピングモータを動かす
- 可変抵抗でステッピングモータの角度を制御する
つかうもの
この記事でつかうものをご紹介いたします。
ステッピングモータ
ステッピングモータはユニポーラ型の28BYJ-48、モータドライバはULN2003を使用しました。下記のAmazon商品では、ステッピングモータとモータドライバが3個セットで破格のお値段になっております。
可変抵抗
可変抵抗は100kΩのBカーブを使いました。Bカーブ、10kΩ以上であれば、他のものでも構いません。
Arduino
Arduino Uno Rev3を使用しました。
▼ もちろん、ほかのArduinoをお使いになってもらっても構いません。
もしまだArduinoをお持ちでないようでしたら、 おすすめArduinoどれを選べばいい？Arduinoで電子工作をはじめる方へ をご覧ください。
開発環境
開発環境は下記の通り、MacBook上のPlatform IOで開発しました。
| 項目 | バージョン |
|---|---|
| パソコン | macOS Big Sur 11.0.1 |
| 統合開発環境 | VS Code x Platform IO |
ステッピングモータについて
ここではステッピングモータについて説明します。
ユニポーラ
今回使用したステッピングモータはユニポーラ型になります。ユニポーラとは、1つの巻線に対し、一定方向の電流しか流さないステッピングモータです。トルクはそれほど高くできませんが。安価で購入しやすいのが魅力です。この記事でも、ユニポーラ型のステッピングモータを使用してます。
バイポーラ
一方で、バイポーラ型のステッピングモータもあります。こちらは1つの巻線に対し、双方向へ電流を流すステッピングモータです。トルクの高さが特徴です。ただし、回転速度を上げていくとユニポーラの方がバイポーラよりもトルクを高く維持できます。バイポーラ型のステッピングモータはユニポーラよりも割高で、3DプリンタやCNC機械などに使われます。
▼ バイポーラ型のステッピングモータも動かしてみたので、 Raspberry Piでステッピングモータの制御 をごご覧ください。
▼ また、CNCシールドを使って3DプリンタのようにGコードでステッピングモータを動かすこともできます。詳しくはこちらをご覧ください。
28BYJ-48の仕様
28BYJ-48は2相ユニポーラ型のステッピングモータになります。ステッピングモータのシャーシ内にギヤが内蔵されていて、そのギヤ比は1/64となります。トルクはかなり強めですが、動きはゆっくりです。無負荷のときの最高回転数は4秒で1回転となります。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| ギア比 | 1/64 |
| 相数 | 2相ユニポーラ |
| ステップ角 | 5.625° |
| 出力軸1回転のステップ数 | 2048（2相励磁） |
| 定格電圧 | 5V |
| 直流抵抗 | 約22Ω（センタータップ - 各端子、テスターで実測） |
28BYJ-48とULN2003のデータシート
28BYJ-48とULN2003の詳細はこちらのデータシートをご覧ください。 28BYJ-48データシート ULN2003Aデータシート可変抵抗でステッピングモータを動かす準備
Arduinoやステッピングモータを準備します。
Arduinoとステッピングモータの配線
図のように、モータドライバULN2003のIN1〜IN4を、Arduinoのデジタルピン8、9、10、11番へつなぎます。Arduinoとは別の5V電源を用意し、モータドライバの±端子へつなぎます。
可変抵抗の配線
可変抵抗の両端1番、3番端子を、ArduinoのGNDと5Vへつなぎます。そして、真ん中の2番端子を、アナログピン0番へつなぎます。
可変抵抗の使い方は、 Arduinoと可変抵抗でLEDの明るさ制御 もご覧ください。
Stepperライブラリのインストール
次に、Arduinoで簡単にステッピングモータを制御できる、Stepperライブラリをインストールします。Arduino IDEのライブラリマネージャーから「Stepper」で検索してインストールしてください。
GitHub - arduino-libraries/Stepper: Stepper Library for Arduino
可変抵抗でステッピングモータの角度を制御
映像のように可変抵抗の位置に合わせて、ステッピングモータの角度を制御します。
動画の続きはこちらのYouTubeで見れます。 可変抵抗でステッピングモータの角度を制御【Arduino】 - YouTube
プログラム
こちらのがArduinoスケッチのソースコードです。ピン番号の指定を間違えないように注意しましょう。
#include <Arduino.h>
#include <Stepper.h>
#define POT_PIN A0
#define IN1_PIN 8
#define IN2_PIN 9
#define IN3_PIN 10
#define IN4_PIN 11
#define stepsPerRevolution 2048 // 1回転のステップ数
Stepper motor(stepsPerRevolution, IN1_PIN, IN3_PIN, IN2_PIN, IN4_PIN);
int stepCount = 0;
int lastPotAngle = 0;
int motorAngle = 0;
int medianFilter(int s[], size_t len) {
for (size_t i=0; i<len; ++i) {
for (size_t j=i+1; j<len; ++j) {
if (s[i] > s[j]) {
int tmp = s[i];
s[i] = s[j];
s[j] = tmp;
}
}
}
int m = len / 2;
return s[m];
}
void stop() {
digitalWrite(IN1_PIN, LOW);
digitalWrite(IN2_PIN, LOW);
digitalWrite(IN3_PIN, LOW);
digitalWrite(IN4_PIN, LOW);
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
motor.setSpeed(15); // RPM (revolutions per minute)
}
void loop() {
float v = float(analogRead(POT_PIN)) / 1023.0;
int potAngle = int(360.0 * v);
int diffPotAngle = potAngle - lastPotAngle;
Serial.println(diffPotAngle);
if(abs(diffPotAngle) <= 7) { // POTのセンサノイズとして無視する
delay(10);
return;
}
lastPotAngle = potAngle;
while (motorAngle != potAngle) {
int diffStep = -1.0 * float(diffPotAngle) * float(stepsPerRevolution) /
360.0; // Pot -> CW, MOTOR -> CCW
// Serial.print(diffPotAngle);
// Serial.print(" / ");
// Serial.println(diffStep);
motor.step(diffStep); // ステップ数
stepCount += diffStep;
motorAngle = potAngle;
}
// stop();
delay(10);
}Stepperの初期化ですが、1,2,3,4の並び順だと脱調してしまってうまく回転できず、1,3,2,4の順番で上手くできました。
Stepper motor(stepsPerRevolution, IN1_PIN, IN3_PIN, IN2_PIN, IN4_PIN);プログラムの解説
ステッピングモータ28BYJ-48は、2048で出力軸が1回転します。 Stepperインスタンスを生成する際にその値を指定します。ステッピングモータの最高回転数は4秒で1回転でしたので、1分間だと最大15回転ほどになります。myStepper.setSpeed(15);でRPMを15に指定しました。
myStepper.step(diffStep);では、ステッピングモータを1ステップづつ動かすことができます。負の値を入れれば逆回転になります。可変抵抗値の回転範囲で、ステッピングモータが1回転するようにしました。可変抵抗から導き出された角度と、ステッピングモーターの角度が同じになるまでステップさせます。ステッピングモータでは、絶対的な回転角度を知ることができないため、可変抵抗の変化量（微分値）を元に動かすステップ数を決めてます。
今後の課題
今回の方法では、ステッピングモータ絶対的な角度や、初期の角度を知ることができません。 また、ステッピングモータは脱調によって角度計算が狂っていきます。脱調を防止するには、常にステッピングモータに電流を流し続けなければならないようです。 プログラム中では、消費電力節約のため、stop関数をつかってステッピングモータの電流をいちいちストップしてます。その結果、脱調が頻繁に発生してしまい、角度がどんどんズレてしまいました。
正確な角度を出したい場合は、ロータリーエンコーダを使って角度のフィードバックを行う必要があるでしょう。