ArduinoとA4988ドライバーでステッピングモーターを制御: ステップバイステップガイド

このArduinoチュートリアルでは、A4988ステッピングドライバーを使用してステッピングモーターを制御する方法を学びます。以下の動画をご覧いただくか、書面によるチュートリアルをお読みください。

概要

A4988は、バイポーラステッピングモーター用のマイクロステッピングドライバーで、簡単な操作のための内蔵トランスレーターを持っています。これにより、コントローラーからわずか2本のピン（1つは回転方向制御、もう1つはステップ制御）でステッピングモーターを制御できます。

ArduinoとA4988ドライバーでステッピングモーターを制御: ステップバイステップガイド

ドライバーは5種類のステップ分解能（フルステップ、ハーフステップ、クォーターステップ、エイスステップ、シックスティーンステップ）を提供します。また、出力電流調整用のポテンショメーター、過熱保護、クロスオーバー電流保護機能を備えています。

ロジック電圧は3〜5.5V、適切な冷却があれば最大フェーズ電流2A、ヒートシンクや冷却なしでは1Aの連続フェーズ電流が可能です。

A4988ステッピングドライバーのピン配置

ドライバーのピン配置を詳しく見て、ステッピングモーターとコントローラーに接続してみましょう。右下の2ピン（VDDとGND）はドライバーの電源用で、3〜5.5Vの電源（この場合はArduinoボードの5V）に接続します。続く4ピンはモーター接続用で、1Aと1Bピンをモーターの1つのコイルに、2Aと2Bピンをもう1つのコイルに接続します。モーター電源用の次の2ピン（GNDとVMOT）は8〜35Vの電源に接続し、ドライバーボードを電圧スパイクから保護するため、少なくとも47µFのデカップリングコンデンサも必要です。

次の2ピン（STEPとDIR）が実際にモーターの動きを制御するピンです。DIRピンはモーターの回転方向を制御し、マイクロコントローラーのデジタルピンの1つ（この場合はArduinoのピン4）に接続します。

STEPピンでマイクロステップを制御し、このピンにパルスが送られるたびにモーターが1ステップ動きます。つまり、複雑なプログラミング、フェーズシーケンステーブル、周波数制御ラインなどは不要で、A4988ドライバーの内蔵トランスレーターがすべて処理してくれます。なお、これら2ピンは内部でどの電圧にもプルアップ/ダウンされていないため、プログラムでフローティング状態にしないように注意が必要です。

次にSLEEPピンがあり、ロジックローでボードをスリープモードにし、モーター未使用時の消費電力を最小化します。

RESETピンはトランスレーターを事前定義されたホーム状態に設定します。このホーム状態（ホームマイクロステップ位置）は、A4988データシートの以下の図から確認できます。これらはモーターが開始する初期位置で、マイクロステップ分解能によって異なります。このピンへの入力がロジックローの場合、すべてのSTEP入力は無視されます。RESETピンはフローティングピンなので、プログラムで制御するつもりがない場合はSLEEPピンに接続してハイにし、ボードを有効化する必要があります。

次の3ピン（MS1、MS2、MS3）は、上記の真理値表に従って5種類のステップ分解能から1つを選択するためのものです。これらのピンには内部プルダウン抵抗があるため、未接続のままにするとフルステップモードで動作します。

最後のENABLEピンはFET出力のオン/オフに使用します。ロジックハイで出力を無効化します。

このArduinoチュートリアルに必要なコンポーネント

以下のサイトから部品を入手できます：

ステッピングモーター (NEMA17)
A4988ステッピングドライバー
12V 2Aアダプター
電源ジャック
Arduinoボード
ブレッドボードとジャンパーワイヤー

回路図

完全な回路図はこちらです。フルステップモードで使用するため、3つのMSピンは未接続のままにし、ドライバーのDIRとSTEPピンをArduinoのピン3と4に接続、GNDと5Vでドライバーに電源供給します。また、100µFのデカップリングコンデンサと12V、1.5Aアダプターでモーターに電源供給します。NEMA 17バイポーラステッピングモーターを使用し、ワイヤーAとCを1Aと1Bピンに、BとDワイヤーを2Aと2Bピンに接続します。

A4988電流制限

モーターを接続する前に、ドライバーの電流制限を調整してモーターの定格電流内に収まるようにする必要があります。ボード上のポテンショメーターで基準電圧を調整し、以下の式を考慮して行います：

ただし、この式はA4988ドライバーボードのメーカーによって必ずしも正確ではありません。私のケースを実演します：ポテンショメーターを調整して0.6Vの基準電圧を測定しました。式では0.6×2＝1.2Aとなるはずです。

しかし、フルステップモードで使用しているため、A4988データシートによるとこのモードでは巻線電流が電流制限の70%しか達しないため、1.2A×0.7＝0.84Aとなります。これを確認するために、STEPピンに継続的にロジックハイを送るシンプルなコードをアップロード（電流をわかりやすくするため）、モーターの1つの巻線に直列にメーターを接続して電源を入れました。結果は0.5Aで、私のケースでは式が正しくなかったことがわかります。

ArduinoとA4988のコード

サンプルコードはこちらです。まずSTEPとDIRピンを定義します。この場合はArduinoのピン3と4で、stepPinとdirPinと名付け、setup()で出力に設定します。

/* シンプルなステッピングモーター制御サンプルコード
 *
 * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
 */
// ピン番号定義
const int stepPin = 3;
const int dirPin = 4;

void setup() {
  // 2つのピンを出力に設定
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(dirPin, HIGH); // モーターを特定の方向に動かす
  // 200パルスで1回転
  for(int x = 0; x < 200; x++) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(500);
  }
  delay(1000); // 1秒待機
  digitalWrite(dirPin, LOW); // 回転方向を変更
  // 400パルスで2回転
  for(int x = 0; x < 400; x++) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(500);
  }
  delay(1000);
}コード言語: Arduino (arduino)

loop()ではまずDIRピンをハイにしてモーターを特定の方向に動かせるようにします。このforループでモーターを1回転させます。ドライバーがフルステップモードで、ステッピングモーターのステップ角が1.8度（200ステップ）の場合、STEPピンに200パルスを送ることで1回転します。forループは200回繰り返され、それぞれSTEPピンをハイ→ローにしてパルスを作ります。各digitalWriteの間に遅延を入れ、そこからモーターの速度が決まります。

この1回転後、1秒待機し、DIRピンをローにして回転方向を反転、今度は400回ループで2回転させます。最後にさらに1秒待機します。コードをアップロードして動作を確認してみましょう。

もう1つ例を作成しました。ポテンショメーターでモーターの速度を制御する例です。そのソースコードはこちら：

/* シンプルなステッピングモーター制御サンプルコード
 *
 * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
 */
// ピン番号定義
const int stepPin = 3;
const int dirPin = 4;
int customDelay, customDelayMapped; // 変数定義

void setup() {
  // 2つのピンを出力に設定
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
  digitalWrite(dirPin, HIGH); // モーターを特定の方向に動かす
}

void loop() {
  customDelayMapped = speedUp(); // カスタムspeedUp関数から遅延値を取得
  // ポテンショメーターに依存するカスタム遅延でパルスを作成（モーター速度が決まる）
  digitalWrite(stepPin, HIGH);
  delayMicroseconds(customDelayMapped);
  digitalWrite(stepPin, LOW);
  delayMicroseconds(customDelayMapped);
}

// ポテンショメーター読み取り関数
int speedUp() {
  int customDelay = analogRead(A0); // ポテンショメーターを読み取り
  int newCustom = map(customDelay, 0, 1023, 300, 4000); // 0〜1023の読み取り値を目的の遅延値（300〜4000）に変換
  return newCustom;
}コード言語: Arduino (arduino)