ArduinoベースのMIDIステッピングモーターシンセサイザー

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1	IO拡張のため類似ボードでも可
A4988ステッピングモータードライバー	4
Arduino CNC Shield V3	1	オプション（手動配線も可能）
12V 6A電源	1	ステッピングモーター駆動用
NEMA 17ステッピングモーター	4

必要なツールと機器

• 3Dプリンター（完全にオプション）

プロジェクト概要

YouTubeでフロッピードライブ音楽の動画を見て、フロッピードライブがステッピングモーターで制御されていることを知り、自分でもステッピングモーターで音を出せないかと考えました。既存のプロジェクトはいくつかありましたが、コードが公開されていないか、機能が限定的で欠陥があるものばかりでした。

学校でC++を学んでいたので、そのスキルを活かしてシンプルで使いやすく、改造しやすいコードを作ることにしました。

全体の流れ

基本的には、MIDIデータを抽出し、ステッピングモーターが対応する音程を出せる速度に変換するだけです。

MIDIデータの抽出

MIDIライブラリを利用すれば簡単に実現できます。MIDIデータを解釈し、ステッピングモーターの速度制御関数に渡します。

ステッピングモーターの制御

A4988ドライバーには、モーター動作を直接制御するSTEPとDIRの2つのピンがあります。DIRは回転方向（CW/CCW）を制御し、STEPはパルスが入るたびに1ステップ動作します（マイクロステップ解像度による）。音程には方向が関係ないため、DIRはLOW固定（またはGND接続）にしています。あとはdigitalWriteでSTEPピンをパルス駆動するだけです。

課題：複数モーターの同時駆動

複数のステッピングモーターを同時に鳴らす必要があったため、delay()は使えません（モーターが同時動作できなくなるため）。代わりにmicros()を使ってパルス間隔を計算する方式を採用しました。

各モーターごとに異なる速度が必要なため、速度変数を配列化し、インデックスをモーター番号＝MIDIチャネルに対応させました。当初はmillis()を使っていましたが、分解能が足りず音程が出せなかったためmicros()に変更しました。

配列化のおかげで、配列サイズを変えるだけで任意の数のモーターを制御できるようになりました。

速度計算と音程マッピング

テストでtone()命令を使って440Hzの矩形波をSTEPピンに入力したところ、ステッピングモーターからA4（440Hz）の音が出ることを確認しました。ステッピング関数に渡す速度値はマイクロ秒単位の周期なので、音程周波数を周期に変換すればよいことになります。

この値をpitchValues配列に格納し、インデックスをMIDIノート番号に対応させました。配列を使うことで、各音程の速度を完全に制御でき、演奏可能な音域を自由に設定できます。速度値0は「停止」として扱います。

また、ステッピングモーターには共振周波数付近で異音（ストール音）が出る問題があります。自分の環境ではF3付近が共振周波数だったため、E3・F3・F#3を1オクターブずらして対処しました（詳細は同梱の「Tune Stepper.ino」で確認可能）。

USB MIDIデバイス化

デバイスをMIDIデバイスとして認識させるため、ボード上のAVRチップ（ATmega16U2等）のファームウェアを書き換える方法を採用しました。HIDUINOまたはmocuLUFAが使えますが、デュアルブート対応のmocuLUFAを選択しました。ICSPヘッダーにジャンパーを挿すだけでUSB MIDIモードとUSBシリアルモードを切り替えられ、Arduinoの再書き込み時にAVRファームウェアを再書き込みする手間がありません。

ソースコード

完全なコードとインストール手順はGitHubリポジトリで公開しています：

https://github.com/jzkmath/Arduino-MIDI-Stepper-Motor-Instrument

カスタムパーツとエンクロージャ

• ステッピングモーター固定用パーツ
• モーター軸に取り付ける「指」パーツ（見た目用）

回路図

• CNC Shield V3使用時のジャンパー配置
• ブレッドボード配線図
• Fritzing回路図（ブレッドボード図にない部品値も含む）
• MIDI DINジャック使用時の配線図

各回路図は画像ファイルを参照してください。