Arduinoでステッピングモータ(ユニポーラ編)

Arduinoでステッピングモータ(ユニポーラ編)
Arduinoでステッピングモータ(ユニポーラ編)

この記事では、Arduinoでステッピングモータを動かす方法を解説していく。具体的には、可変抵抗を使ってステッピングモータの角度を制御してみた。

ステッピングモータはユニポーラ型の28BYJ-48を使用した。また、モータドライバはULN2003を使用した。

開発環境

項目バージョン
ArduinoデバイスArduino Uno Rev3
ステッピングモータ28BYJ-48
モータドライバULN2003
統合開発環境VS Code x Platform IO
パソコンmacOS Big Sur 11.0.1

ステッピングモータはこちらの製品を使った。3個セットでモータドライバも付いていて1000円以下という安さ。

ステッピングモータ28BYJ-48の使用

ギヤ内蔵のステッピングモーターで、ギヤ比1/64で減速されるため動きはゆっくりである。無負荷の最高回転数は4秒で1回転となる。そのかわり、トルクはかなり強めである。

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)

データシートはこちら。

Arduinoとステッピングモータの配線

モータドライバのIN1からIN4までを、Arduinoのデジタルピン8、9、10、11番へ繋ぐ。また、Arduinoとは別の5V電源を用意しモータドライバの±端子へ繋ぐ。

モータドライバの配線
モータドライバの配線

可変抵抗は100kΩのBカーブを使用した。可変抵抗の両端(1番、3番)をArduinoのGNDと5Vへ繋ぎ、真ん中の端子をアナログピン0番へ繋いだ。

可変抵抗の詳しい使い方はこちらの記事を参考に。

全体の配線図
全体の配線図

Stepperライブラリのインストール

Stepperライブラリのインストール
Stepperライブラリのインストール

Arduinodでステッピングモータを制御するには、Stepperライブラリを使うと非常に簡単にできる。Platform IOを使ってVS CodeでArduino開発しているため、画像のようにStepperライブラリを検索してプロジェクトへインストールした。

プログラム

動画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するプログラムがこちら。

#include <Arduino.h>
#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 2048;  // 1回転のステップ数
const int POT = 0;
const int A = 8;
const int Abar = 10;
const int B = 9;
const int Bbar = 11;

Stepper myStepper(stepsPerRevolution, A, Abar, B, Bbar);

int stepCount = 0;

void stop() {
  digitalWrite(A, LOW);
  digitalWrite(Abar, LOW);
  digitalWrite(B, LOW);
  digitalWrite(Bbar, LOW);
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    myStepper.setSpeed(15); // RPM (revolutions per minute)
}
int lastPotAngle = 0;
int motorAngle = 0;

void loop()
{
  float v = float(analogRead(POT)) / 1023.0;
  int potAngle = int(360.0 * v);
  int diffPotAngle = potAngle - lastPotAngle;
  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);
    myStepper.step(diffStep); // ステップ数
    stepCount += diffStep;
    motorAngle = potAngle;
  }

//  stop();
  delay(10);
}

プログラムの解説

今回使用したステッピングモータは2048で出力軸が1回転である。よってStepperインスタンスを生成する際にその値を指定している。

また、ステッピングモータの最高回転数は4秒で1回転であるため、1分間に最大15回転できることになる。よって、myStepper.setSpeed(15);でRPM15を指定している。

そして、myStepper.step(diffStep);のようにして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る。負の値を入れれば逆回転させられる。

可変抵抗値の上限範囲で、ステッピングモータの角度がちょうど0度〜360度回転するように設定している。よって、whileループで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一致するまでステップさせている。ただし、ステッピングモータの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いる。

動画のように、可変抵抗によるステッピングモータの角度制御ができることがわかった。しかし、先ほど述べた通りこ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はできない。

また、ステッピングモータは脱調により角度がズレる恐れがある。とくに、プログラム中のstop関数はステッピングモータの停止時に無駄な電流を流さないようにするための方法であったが、stop関数を実行すると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った。脱調を防ぐには、常にステッピングモータに電流を流していなければならない。

よって、本プログラムはあくまで実験ということで、正確な角度が必要な環境で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ったほうが良いかもしれない。

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