【ラズバイ】Raspberry Pi4でステッピングモータを回す①（ユニポーラ式：28BYJ-48）

f:id:zaloha8:20220109174722j:plain

こんにちは。alohaです。

Raspberry Pi4でステッピングモータを回すテストを行ったので、結果を書き残しておきます。

ステッピングモータの特徴として、

・角度の制御が可能

・連続回転が可能

という特徴があり、様々な用途で使用されています。

ステッピングモータには、ユニポーラ方式とバイポーラ方式がありますが、今回テストを行ったのはユニポーラ方式です。

＜必要部品（Raspberry Pi4本体以外に必要なもの）＞

28BYJ-48 ULN2003ドライバーボードセット　　　1セット
ACアダプタ（DC5V, 2.3A）　　　　　　　　　　　1個
ジャンパー線　　　　　　　　　　　　　　　　　数本

f:id:zaloha8:20220109172410j:plain

＜ユニポーラ式ステッピングモータ＞

今回テストするユニポーラ式ステッピングモータ（28BYJ-48）の回路図は下の図の通りです。2つあるREDの線は1本にまとまっているため、信号線としては5本あります。

f:id:zaloha8:20220109091628j:plain

REDの線がGNDで他の4本の信号線（PINK, ORANGE, YELLOW, BLUE）からパターンの決まった電圧信号を入力する事でモータを回転させる事ができます。

＜電圧信号の入力パターン＞

電圧信号の入力パターンは、1相励磁、2相励磁、1-2相励磁等があり、入力パターンはそれぞれ以下の通りです。

①　1相励磁（最も単純な方式）

f:id:zaloha8:20220109131652j:plain

②　2相励磁（滑らかに動作）

f:id:zaloha8:20220109131152j:plain

③　1-2相励磁（さらに滑らかに動作します）

f:id:zaloha8:20220109132926j:plain

＜正回転、逆回転の切替え＞

ステッピングモータの正回転、逆回転を切換えるには、例えば1相励磁の場合は下の図の様な電圧入力パターンにします。

f:id:zaloha8:20220109135926j:plain

＜回転速度の切替え＞

ステッピングモータの回転速度を変更するには、例えば1相励磁の場合は下の図の様に入力電圧の幅を変更します。

入力電圧の幅を狭くするとモータは高速で回り、広くすると低速で回りますが、設定できる幅には限界があり、限界値以下の（もしくは以上の）幅を設定するとモータは回らなくなります。

f:id:zaloha8:20220109142453j:plain

＜回路図＞

Raspberry Pi4でステッピングモータ（28BYJ-48）を回す場合の回路図は下の図の通りです。

f:id:zaloha8:20220109143607j:plain

組み立てると下の写真の様になります。

シャフトの回転角度を分かりやすくするため、3Dプリンタで作成した▲印付きの円盤を付けています。

f:id:zaloha8:20220109172820j:plain

＜動作プログラム＞

ステッピングモータ（28BYJ-48）を回すPythonプログラムとして、

正回転（反時計回り1周）→　逆回転（時計回り1周）を行うプログラムを作成しました。

モータの仕様では、64パルスでモータのシャフトが5.625°回転する仕様ですが、これは1-2相励磁の場合です。1相励磁、2相励磁の場合は半分の32パルスでモータのシャフトが5.625°回転します。

モータのシャフトを1回転（360°）させる場合、Raspberry Pi4側から出力するパルス数は以下の式で計算できます。

【1相励磁、2相励磁の場合】

$パルス数=\frac{360}{(5.625/32)}=2048$

【1-2相励磁の場合】

$パルス数=\frac{360}{(5.625/64)}=4096$

・1相励磁 or 2相励磁でステッピングモータを回すプログラム

（29, 30行目で1相励磁 or 2相励磁のどちらかを選択します）

#coding:utf-8

#GPIOライブラリをインポート
import RPi.GPIO as GPIO

#timeライブラリをインポート
import time

#collectionsライブラリのdequeオブジェクトをインポート
from collections import deque

#ピン番号の割当方式を「コネクタピン番号」に設定
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

#使用するピン番号を代入
IN_1=8    #BLUE
IN_2=10   #PINK
IN_3=16   #YELLOW
IN_4=18   #ORANGE

#各ピンを出力ピンに設定し、初期出力をローレベルにする
GPIO.setup(IN_1,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_2,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_3,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_4,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)

#出力信号パターンのリストを作成
#（1相励磁 or 2相励磁どちらかを選択）
#sig = deque([0,1,0,0])        #1相励磁
sig = deque([1,1,0,0])       #2相励磁

#回転させる角度をdegで入力
ang = 360

#角度degをパルス数に換算
p_cnt = int(ang / (5.625 / 32))

#回転方向を定義（-1が時計回り、1が反時計回り）
dir = 1

#パルス幅を変数に入力
#値が小さい程回転速度は上がる。0.002より小さい値にすると回転しない
p_wid = 0.002


#時計回りに1回転、反時計回りに1回転する
for i in range(0,2):
    #パルス出力開始
    for j in range(0,p_cnt):
        
        #出力信号パターンを出力
        GPIO.output(IN_1, sig[0])
        GPIO.output(IN_2, sig[1])
        GPIO.output(IN_3, sig[2])
        GPIO.output(IN_4, sig[3])
        
        #パスル幅分待機
        time.sleep(p_wid)
        
        #出力信号パターンをローテート
        sig.rotate(dir)
    #回転方向を逆向きにする
    dir = dir * -1
    #1秒待機
    time.sleep(1.0)
    #カウントアップ
    i += 1


#メッセージを表示
print("End of program")
    

#GPIOを開放
GPIO.cleanup()

・1-2相励磁でステッピングモータを回すプログラム

#coding:utf-8

#GPIOライブラリをインポート
import RPi.GPIO as GPIO

#timeライブラリをインポート
import time

#collectionsライブラリのdequeオブジェクトをインポート
from collections import deque

#ピン番号の割当方式を「コネクタピン番号」に設定
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

#使用するピン番号を代入
IN_1=8    #BLUE
IN_2=10   #PINK
IN_3=16   #YELLOW
IN_4=18   #ORANGE

#各ピンを出力ピンに設定し、初期出力をローレベルにする
GPIO.setup(IN_1,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_2,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_3,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(IN_4,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)

#出力信号パターンのリストを作成
sig_1 = deque([0,1,0,0])       #1相励磁
sig_2 = deque([1,1,0,0])       #2相励磁

#回転させる角度をdegで入力
ang = 360

#角度degをパルス数に換算
p_cnt = int(ang / (5.625 / 64))

#回転方向を定義（-1が時計回り、1が反時計回り）
dir = 1

#パルス幅を変数に入力
#値が小さい程回転速度は上がる。0.001より小さい値にすると回転しない
p_wid = 0.001


#時計回りに1回転、反時計回りに1回転する
for i in range(0,2):
    #パルス出力開始
    for j in range(0,p_cnt):
        
        if(j % 2 == 0):
            #出力信号パターンを出力
            GPIO.output(IN_1, sig_2[0])
            GPIO.output(IN_2, sig_2[1])
            GPIO.output(IN_3, sig_2[2])
            GPIO.output(IN_4, sig_2[3])
                        
            #パスル幅分待機
            time.sleep(p_wid)
            
            #出力信号パターンをローテート
            sig_2.rotate(dir)
        else:
            #出力信号パターンを出力
            GPIO.output(IN_1, sig_1[0])
            GPIO.output(IN_2, sig_1[1])
            GPIO.output(IN_3, sig_1[2])
            GPIO.output(IN_4, sig_1[3])
                        
            #パスル幅分待機
            time.sleep(p_wid)
            
            #出力信号パターンをローテート
            sig_1.rotate(dir)
            
            
    #回転方向を逆向きにする
    dir = dir * -1
    #1秒待機
    time.sleep(1.0)
    #カウントアップ
    i += 1


#メッセージを表示
print("End of program")
    

#GPIOを開放
GPIO.cleanup()