ラズパイでステッピングモーターを動かす

前回、ラズパイでDCモーターを動かしてみました。

masaeng.hatenablog.com

DCモーターでは回転角度を制御できないため、今回はステッピングモーターを制御することに挑戦しました。事前に他の方がどのように制御されているかを調べたところ、ライブラリを使用している例が多い印象でした。具体的な制御手順を理解するため、ライブラリを使わずにやってみたいと思います！

ステッピングモーターとは？

直流のパルス電圧を印加して駆動するモーターで、DCモーターとは異なり、正確に回転を制御できます。例えば90度回したい、30度回したいといったことが容易にできます。

内部構成は以下のようになっています。周囲のコイルに電流を流すことでコイルがS極となり、中央の磁石のN極を近づけます。電流を流すコイルをL1, L2, L3, L4, L1・・・と変えることで、中央の磁石が回転します。

駆動方法はいくつかの手法がありますが、安定的に駆動できると言われる二相励磁を用います。電流を流す区間を1ステップ分、隣のコイルと重複させます。

　

　　　　　　　　画像引用：https://dotstud.io/blog/stepper-motor-nefrybt-control/

回路設計

 今回準備した部品はこちらです。
 　ステッピングモーター28BYJ-48：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-13256/
　 モータードライバー　TB6612FNG：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-11219/
TB6612は本来DCモーター用のドライバーですが、ステッピングモーターにも使用できました。(DCモーター用に買ったものを流用するため、動かし方を調べました)

モーターの配線図はこんな感じ。3番端子(赤)には電源5Vを入力します。二相励磁で動かすためには2-A, 5-B, 4-A', 1-B'に対して右図のようにパルス電圧を印加する必要があります。

　　

画像引用：http://akizukidenshi.com/download/ds/akizuki/28byj-48.pdf

電圧を供給するのはモータードライバーTB6612です。ドライバーモジュールの回路図は以下左図のようになっており、AIN1,2, BIN1,2が入力、A01,A02,B01,B02が出力です。ドライバーの真理値表で注目すべきところは赤枠で囲んだところです。OUT1,2がH/LまたはL/Hとなっているところを二相励磁のパルスに当てはめます。

　

　　　　　　　画像引用：http://akizukidenshi.com/download/ds/akizuki/AE-TB6612.pdf

モーター端子、即ちTB6612の出力端子を上図の二相励磁の方式で動かそうとするとTB6612の入力は右のようにH/Lを制御すればよいことになります。これら入力AIN1,2,BIN1,2をラズパイのGPIOポートに接続して制御します。
　

最終的に回路図は以下のようになります。モーターには乾電池で作ったDC5Vを入力。モータードライバーのPWM端子はVCC(3.3V)と接続しています。

こんな感じで回路を組みました。

ソースコード

Pythonでコードを書いていきます。回転角と回転方向を引数として与えるようにします。

まずはライブラリのインポートとGPIOピンの指定です。上の回路図に合わせて変数にGPIO番号を入力します。

import argparse
import time
import RPi.GPIO as GPIO

AIN1 = 2
AIN2 = 3
BIN1 = 4
BIN2 = 14
STBY = 15

ここで、回転速度を指定します。
ステップ角とは回転角の最小単位、ステップとは二相励磁の図における、縦の点線の区間1つ分です。モーターの回転速度(1秒に何回転するか)から1ステップの待ち時間を計算しています。ステップ角と1回転のステップ数はモーターの仕様です。購入サイトで確認できます。

f = 0.1 # 回転速度[rps] 1秒に何回転するか
s_angle = 5.625 # ステップ角[deg]
step_360 = 2048 # 1回転のステップ数
unit_step = step_360 * s_angle / 360 # ステップ角当たりのステップ数
wait = (1/f)*(s_angle/360)/unit_step # 1ステップの待ち時間

main関数です。
引数として回転角度と回転方向(0:時計回り、1:反時計回り)を受け取ります。
GPIOの初期設定後、回転方向が時計回りならforward()を、反時計回りならbackward()を実行して、停止処理を行います。forward/backward関数の引数はステップ数のため、回転角度からステップ数に変換して渡します。モーターに電圧をかけたままだと熱くなるため、最後にモータードライバーをスタンバイモードに入れます。

def main():
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('angle', type=float, help='rotation angle')　
    parser.add_argument('--dir', default=0, choices=["0","1"], help='rotate direction, 0=CW, 1=CCW')
    args = parser.parse_args()

    #GPIO初期化
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(AIN1, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(AIN2, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(BIN1, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(BIN2, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(STBY, GPIO.OUT)

    #モータードライバースタンバイ解除
    GPIO.output(STBY,1)

    if args.dir == "0":
        forward(int(args.angle / s_angle * unit_step))
    else :
        backward(int(args.angle / s_angle * unit_step))

    #停止処理
    print("stop!!")
    GPIO.output(AIN1,0)
    GPIO.output(AIN2,0)
    GPIO.output(BIN1,0)
    GPIO.output(BIN2,0)
    GPIO.output(STBY,0)   

時計回りの回転の場合は、各ポートの状態が左から右に遷移するようにGPIOを制御します。二相励磁の場合は4ステップ周期で同じ状態となるため、step/4回分だけforループを回します。

def forward(step):
    print("move forward")
    for i in range(step/4): # stepが4周期のため4で割る
        GPIO.output(AIN1,1)
        GPIO.output(AIN2,0)
        GPIO.output(BIN1,0)
        GPIO.output(BIN2,1)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,1)
        GPIO.output(AIN2,0)
        GPIO.output(BIN1,1)
        GPIO.output(BIN2,0)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,0)
        GPIO.output(AIN2,1)
        GPIO.output(BIN1,1)
        GPIO.output(BIN2,0)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,0)
        GPIO.output(AIN2,1)
        GPIO.output(BIN1,0)
        GPIO.output(BIN2,1)
        time.sleep(wait)

def backward(step):
    print("move backward")
    for i in range(step/4): # stepが4周期のため4で割る
        GPIO.output(AIN1,0)
        GPIO.output(AIN2,1)
        GPIO.output(BIN1,0)
        GPIO.output(BIN2,1)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,0)
        GPIO.output(AIN2,1)
        GPIO.output(BIN1,1)
        GPIO.output(BIN2,0)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,1)
        GPIO.output(AIN2,0)
        GPIO.output(BIN1,1)
        GPIO.output(BIN2,0)
        time.sleep(wait)

        GPIO.output(AIN1,1)
        GPIO.output(AIN2,0)
        GPIO.output(BIN1,0)
        GPIO.output(BIN2,1)
        time.sleep(wait)

動作確認

こちらのソースコードで実際にモーターが回っている様子です。角度と回転方向の指定を変えることで、自在にモーターの回転が制御できています。

ラズパイ/TB6612でステッピングモーターを動かしてみた

まとめ

ライブラリを使わずにラズパイのGPIO制御でステッピングモーターを動かすことができました。動作原理を元に制御を考え、その結果、うまく動くと理解が正しかったことが確認でき、非常に勉強になると感じました。これが自分で手を動かす強みですね。

次回はステッピングモーターを使って何か作ってみたいと思います。