Raspberry Piでステッピングモーター28BYJを使ってみた

Arduino入門用キットを買ったというのに、その部品をRaspberry Piばっかで使っております。まあ、こっちの方が慣れているのでしょうがないですが。

今回使ったのは、真ん中にあるステッピングモーター”28BYJ”。

とりあえず、使い方を学んでおこうかと取り出したのですが、Arduino互換ボード、Raspberry Piと並べて結局Raspberry Piで動かしてみることに。

参考にしたのはこちらのサイト。

Stepper Motor Control In Python

さて、ステッピングモーターとは一体何ができるのか？

マブチモーターのような普通のモーターだと連続回転が可能ですが、回転角を制御することは不可能。

一方、サーボモーターならば角度制御は可能ですが、こちらは連続回転ができません。

この両方の中間のような存在がこのステッピングモーター。パルス信号によって回転角度を制御でき、またモーターのように連続回転も可能です。

ただし通常のモーターのようにトルクはあまり無いようですが。おまけに制御が少々ややこしい。

先のリンク先を参考に、早速回路を組んでみました。

ピンは全部で6本。

”IN1”はRaspberry Piの11番ピン

”IN2”は15番ピン

”IN3”は16番ピン

”IN4”は18番ピン

そしてVCCには百均のスマホ充電専用ケーブルからつくったUSB電源ケーブルの＋極を、GNDにはRaspberry Piの6番ピンおよび電源ケーブル-極を接続。

こんな感じの回路になります。

Pythonのコードは以下。

#!/usr/bin/python

# Import required libraries

import sys

import time

import RPi.GPIO as GPIO

# Use BCM GPIO references

# instead of physical pin numbers

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# Define GPIO signals to use

# Physical pins 11,15,16,18

# GPIO17,GPIO22,GPIO23,GPIO24

StepPins = [17,22,23,24]

# Set all pins as output

for pin in StepPins:

 print "Setup pins"

 GPIO.setup(pin,GPIO.OUT)

 GPIO.output(pin, False)

# Define advanced sequence

# as shown in manufacturers datasheet

Seq = [[1,0,0,1],

 [1,0,0,0],

 [1,1,0,0],

 [0,1,0,0],

 [0,1,1,0],

 [0,0,1,0],

 [0,0,1,1],

 [0,0,0,1]]

StepCount = len(Seq)

StepDir = 1 # Set to 1 or 2 for clockwise

# Set to -1 or -2 for anti-clockwise

# Read wait time from command line

if len(sys.argv)>1:

 WaitTime = int(sys.argv[1])/float(1000)

else:

 WaitTime = 10/float(1000)

# Initialise variables

StepCounter = 0

# Start main loop

while True:

 print StepCounter,

 print Seq[StepCounter]

 for pin in range(0,4):

 xpin=StepPins[pin]# Get GPIO

 if Seq[StepCounter][pin]!=0:

 print " Enable GPIO %i" %(xpin)

 GPIO.output(xpin, True)

 else:

 GPIO.output(xpin, False)

 StepCounter += StepDir

 # If we reach the end of the sequence

 # start again

 if (StepCounter>=StepCount):

 StepCounter = 0

 if (StepCounter<0):

 StepCounter = StepCount+StepDir

 # Wait before moving on

 time.sleep(WaitTime)

ずいぶん長ったらしいコードですが、

wget https://bitbucket.org/MattHawkinsUK/rpispy-misc/raw/master/python/stepper.py

と打てば入手できます。

で、早速実行。

sudo python stepper.py

実行すると、小さな基板上の４つのLEDが激しく点滅

・・・してるんですが、モーターが動きません。

いや、よーく見ると動いてます。じわーっと動く感じ。

音も静かなので、最初失敗したかと勘違いしたほど。

というわけで、動きがわかりやすいものを上に載っけてみました。

おお！

動いてる！動いてる！！

しかし少々重すぎたのか、すぐに倒れてしまいます・・・

わざわざ大和を載せなくてもよかったんですよね・・・

この後は上のクリップだけで回転を確認しました。

さて、せっかくステッピングモーターなので、角度を制御できないと意味がありません。

しかし、どうやって角度を制御するのか？

そこでステッピングモーターの基礎を以下のサイトでお勉強。

ステッピングモータ 28BYJ をarduinoで動かしてみる | 花夢電科雑多猫

まずステッピングモーターの動作ですが、IN1～IN4の4つの極にそれぞれ以下のような信号

IN1、IN2、IN3、IN4

1、0、0、0

0、1、0、0

0、0、1、0

0、0、0、1

が順にくると回ります(1がON、0がオフの意味)。

各電極ごとに1つしか付かないため、こういうパターンを”1-1相励磁”というんだそうです。

ただこれではトルクが足りないため、トルクがほしいときは

IN1、IN2、IN3、IN4

1、0、0、1

1、0、0、0

1、1、0、0

0、1、0、0

0、1、1、0

0、0、1、0

0、0、1、1

0、0、0、1

の8ステップの信号を与えてやります。

こちらのパターンの方が、2つの電極を同時にオンにするためトルクが上がるようです。

こういうのを”2-2相励磁”というんだそうです。

ちなみに今回のコードはこの2-2相励磁です。コードの23行目あたりに書かれた”seq=”のところを見ていただくとこんなパターンになってます。

トルクは上がるんですが、消費電力もアップするそうです。

さて、この28BYJというステッピングモーターは64ステップで5.625度回転する仕様だそうです。

2-2相励磁の場合は1パターン8ステップあるので、このパターンを8回繰り返してやる(8×8 = 64ステップ)と5.625度回転するようです。

ということは、180度回転しようとすると

180/5.625 = 32

32×64 = 2048

となるため、2048ステップ回してやると180度、つまり半回転するはず。

ためしに、上のコードの45行目にある”while True:”を”for i in range(0,2048)：”とすると、ちょうど半回転して止まります。

”2048”のところを”4096”とすればちょうど一周します。

90度なら1024、45度なら512・・・という感じで、回転角を制御できそうです。

1パターンが8ステップあるので、8の倍数で繰り返し回数を決めてやるとちょうどよさそう。

さて、回転角は制御できますが、回転速度はどこで変えるのか？

上のコードの39行目にある”WaitTime = 10/float(1000)”で制御できます。

これは各ステップのウェイト時間で、この場合は10/1000秒、つまり0.01秒になってます。

これを小さくする(10を小さくする、あるいは分母の1000を大きくする)と回転が速くなります。

あるいはこのコードを実行時に

sudo python stepper.py 20

と入力すると、ウェイト時間が20/1000秒(=0.02秒)と変わるようになってます。

私が試した限りでは1/2000秒でほぼ頭打ち、それ以上小さな値にしてもpythonの実行速度が追いつかないのか、変わりません。

もっとも、あまりウェイト時間を小さくしても同調不能になり、回転しなくなるそうですが。

なお、このコードでは時計回りに動きますが、反時計回りにするには33行目の”StepDir = 1”の値を”-1”に変えます。

というわけで、なんとかステッピングモーターを制御できるようになりました。

何に使うかはまだ未定ですが、アイデア次第ではいろいろと使えそうですね、このモーター。

ぱっと思いついたのはRaspberry Piレーダーを360度回して全方位型にしてしまうというものですが、問題は赤外線測距センサーの電極がぐるぐる巻きになってしまうこと。それさえ解決できれば・・・まあそろそろレーダーネタ、やめますか。

SODIAL(R) 28BYJ-48 28BYJ48 DC 5V 4-フェーズ5線式ステッピングモータとULN2003ドライバボード