ステッピングモーターを動かす(タイマーW)

ステッピングモータ制御

考え方など基本は同じですので、まず　Tekurobo工作室
１１４．ステッピングモータを動かす　を見てください

ＤＣモーターを回すことができたので、今度はいよいよステッピングモーターを回すことにします

プラモデルなど慣れ親しんだＤＣモーターと違い、ＳＰモーターは角度を制御することが出来ます。
これが、最初は醍醐味！　命令して　”プルッ”　と決めた角度に回せると快感です。

モノを動かす好みにもいろいろがあり、光モノ好き、動作好き、なんて傾向があります。
動作させるのを快感に思う人なら、初めて決め角にＳＰモーターが”プルン”と動かせたら、 　　「いっぱしの制御を成しとけた！」　なんて快感に浸れるのでは？　と思います。

回転角度制御はロボット制御に欠かせない知識のひとつです。そんな歩をＨ８とＳＰモーターでやってみます。
今度使用するのは３６６４Ｆにとってタイマー最高峰のタイマーＷを使います！　

●ステッピングモーターから

ここまで最初から見てこられた人はもうお気づきでしょうが、Tekurobo工作室とくらべ、 この弟子ＨＰのやることはかなり簡易的です　　実験回路とかも簡単で。

使用するステッピングモーターはミツミ　Ｍ４２ＳＰ－７という型番のもの。データシートもありました。

　

 

ちょとメーカー品という訳は　プリンターを分解したら出てきたモノです。

 

 

●ＳＰモーターの仕様

ちょっと寄り道して仕様を見てみる　ＤＣ１２Ｖ用

この中で知りたい主な項目

1. プルイントルク （起動トルク）

ステッピングモーターが起動できる負荷トルクを、各駆動パルス周波数毎に測定したもの。負荷を与えて、起動し得る負荷トルクで、これが知りたいトルクになるでしょう。
このプルイントルク　約　196gf・cm　となります。

2. プルアウトトルクとは　
脱調せずに回る負荷トルクのことだそうです。いったん周り始めるとちょっと強いかな。
3. ホールディング　トルク（保持トルク）

これはそのままですね、ＳＰモーターの利点の一つ、強い静止トルクをだせるそれです。


 

いずれも与える周波数によって変わってきます。

与える周波数　と　トルクの関係　

この表から
　パルスレートを上げてＳＰモーターを高速で回すほど、どんどんトルクが小さくなっていますね。
この関係も実験後回してみて、その結果と較べてみることにします。

手で動かしてみる

Tekurobo工作室で回路を作ってボタン手動で動かしていますが、簡易的傾向の弟子ＨＰではホントに手で回します

「ステッピングモーターは電圧をかけただけでは回らない、制御が必要」　
と言われ最初は難しいもモノと気後れしがち。

しかし所詮、コイルの反発で回転力を得るもの。子供の頃、プラモのＤＣモーターの配線を指で電池に挟みつけるようにして回したように、ステッピングモーターも手と電池で回します。

９Ｖ角電池を使い、その＋線を　電源＋にプラスをつなぎ、-線をＸにつなぐと、”プルッ”　とほんの少し動いた。
　仕様書によるとこれが１ステップ分=７．５度のハズ。

そして、電源+につないだ電池のプラスの方はそのままに、マイナス側をあちこち刺し込んでいくと、刺し込む位置によって、回ってまた反対に戻ったりする。　　

あれこれ繰り返すと写真のような並びのようです。

電源+、

Ｘ

ｘ_

Y

y_

　Ｘ-Y-ｘ_-y_　の順に次々つないでいくと同じ方向に回転するようだ。

プラス線はそのまま電源＋、マイナスの線を手に、この順番に素早く、
Ｘ-Y-ｘ_-y_-Ｘ-　　と次々抜いては刺していくと、

　”おっ、いいぞ、同じ方向に回転する！”
同じ方向にプルプル回転するコトがわかった。　（これが１－１相励磁です）

この抜き刺し移動をもっと速くしていくと、滑らかに回転するが、人間ワザではムリなので、これをマイコンにさせるわけです。

もう何も恐れることはないかな。

設定

それでは　こんどはマイコンで動かす準備です。とりあえずは回転させてみます。
3664Ｆタイマー機能最高峰のタイマーＷをいよいよ使います。（出し惜しみするようでしたが、３６６４Ｆではこれが最終兵器、さすがに、いっぱい機能がありす、タイマーを使い惜しみするのも小Ｈ８　タイニーの楽しみの１つ）

それではまた概要から。

タイマーＷ

特　長

• ４本のパルス入出力
• コンペアマッチ４本
• タイマーへの入出力（インプット、アウトプットキャプチャ）
• ＰＷＭ　（最大３相がタイマー設定だけで作れる）
• ５種類の割り込みができる

特長をみてもなんだかよくわかりませんが、使ってよさを知ることに。
しかし、今回はコンペアマッチが４本に増えても出力することぐらいしかつかいませんかねぇ。

他のタイマーＷの良さはまた　サーボ制御　などで、パルス長さ測定などで試してみることに。

さてＳＰモーター駆動ですが、今回は２相駆動で。

ＳＰモーター駆動用のパルスチャートです。

２相駆動がトルクも太く、一番一般的な方法らしいです。常にどこか２つのコイルが通電されている方法です。

簡単に、４つの入力線にどのように通電するかの状態です。
縦の線を見てください。例えば左から２番目の縦線で切られたところをみると、ＸとＹが１（凸）になり通電。縦線３番目にくると　Ｘを０にして、Ｙは１のまま、ｘ＿　を１にします。
このように２つのコイルに常に通電していく方法です。

タイマーＷの設定

これをタイマーＷで、今度はトグル出力を使ってみます。

Ｘとｘ＿のﾊﾟﾙｽが全くHigh、Low逆になっているので、ここではトグル出力を使ってみます。

タイマーをパルス図の詳しい関係はＰＷＭ制御（タイマーＶ）を見てください。考え方は同じです。

同じように説明すると、

タイマーの設定方法はたとえると

• 秒針が　ＴＣＮＴ　で、これがチクタクと時を刻みます。
• 目覚ましの針がGRA、GRB、GRC,GRD　と４つの目覚ましを設定できます。

ここではコンペアマッチのとき、ピンから電圧を出力させます。

どのピンから出力させるかというと

ＧＲＡ～Ｄ　それぞれの　コンペアマッチのとき

ＧＲＡ　→　ＦＴＩＯＡ

ＧＲＢ　→　ＦＴＩＯＢ

ＧＲＣ　→　ＦＴＩＯＣ

ＧＲＤ　→　ＦＴＩＯＤ　のピンから電圧が出ます。

Ｈ８付属の回路図のピン番号とこのピン名称をみて対応させてください。

ＧＲＡ、ＧＲＣ

ＧＲＢ、ＧＲＤ　

は２つ同時にコンペアマッチし、そしてピンへ電圧出力します。

２つ共に同じ出力の形になると思えますが、ここでトグル出力を使います。
そして、ＧＲＡのコンペアマッチで時を刻むＴＣＮＴを０にリセットして、最初から振り出しにします。

トグル出力とは

コンペアマッチのたびに　１　または　０　を出力すると決めるのではなく、今までと反対の出力にする方法

コンペアマッチのたびに　１なら→０、　０なら→１　とする方法です。

現状と反対の出力になるので、コンペアマッチのたびに　出力を出す、出力休み、と切り替わるのでこのようなパルス発生に最適。

図をよく見ると、ＧＲＡ、とＧＲＣは出力がひっくり返したように逆なので、初期値が反対で、トグル出力にすると全く反対の出力にできます。　

パルス発生の実際は上の図で１になっている間（凸のとき）、自動的に端子から５ｖが出力される設定にします。ＴＩＯＲ０、ＴＩＯＲ１

タイマーＷでは設定するレジスタは５つ。タイマーＶの設定をするとだいたい原理は似ているので問題はないでしょう。再度設定して慣れてください。コンペアマッチが増えたのでレジスタも増えます。

一部だけレジスタ設定説明

実際の設定

TW..TIOR0.BYTE=0x33　（0011　　0011）

IOA0　　 １　　ＧＲＡのコンペアマッチでＦＴＩＯＡ端子へトグル出力
IOA1　　 １
IOA2　　 ０　　アウトプットコンペアレジスタとして機能
/
IOB0　　 １　　ＧＲＢのコンペアマッチでＦＴＩＯＢ端子へトグル出力
IOB1　　 １
IOB2　　 ０　　アウトプットコンペアレジスタとして機能
/

トグル出力の設定にしておくと、
カウンタがコンペアマッチになると、トグル出力なので今までの出力と反対になります。
ＦＴＩＯＡ：　１　→　０

ＦＴＩＯＣ：　０　→　１

これで全く逆の出力が得られます。

Ｃ、Ｄも同様にして
TW.TIOR１.BYTE=0x33　（0011　　0011）

TW.TCRW.BYTE=0xB9　（1011　0101）

カウンタクリア条件設定

コンペアマッチＡでカウンタをクリアに設定

クロック動作設定
クロックとして、φ/8　→内部クロックの1/8　(　16Ｍ/8　= 2MHz )に設定

周波数

ＧＲＡ＝１１０００　に設定すると

　　半周期分が　２００００００（２Ｍ）　／　１１０００（ＧＲＡ）　＝１８１
周期は図の　－１周期－　の部分なので　この２倍で　３６２の周波数になります。

　（*　PWMでモーター制御（タイマーＶ）　の周期も参照のこと）

端子ＦＴＩＯＡ～Ｄの初期値設定

• ＴＣＲＷ．ＴＯＡ ＝１　（最初のコンペアマッチＡが発生するまでＦＴＩＯＡの出力値を １　にする）
• ＴＣＲＷ．ＴＯＣ ＝０　（最初のコンペアマッチＢが発生するまでＦＴＩＯＢの出力値を ０　にする）
• ＴＣＲＷ．ＴＯＢ ＝０
• ＴＣＲＷ．ＴＯＤ ＝１

GRA、GRC＝11000
GRB、GRD＝5500

これでｸﾞﾗﾌのような波形のパルスが出ます。

TW.ＴＩＥＲＷ　は（デフォルト）割り込みはしないので、今回、初期値にたより設定はしない

最後に　TW.TMRW.BYTE=0x80　　(1000　0000)　.CTS=1
カウンタースタートでカウント開始する

実験回路図

回路図が複雑になってしまいましたがドライブ回路にパワートランジスタアレイを使っています。 （モーター駆動できるパワートランジスタが内部に４個入ったもの）

これまでの回路に追加したので、外部に330Ωの抵抗が余分についています。（パワートランジスタアレイは内部に抵抗がはいっているので、この330Ωの抵抗は実際は必要ありません）

このパワートランジスタアレイは中に保護回路も内臓ですが、フライホイールダイオードは外部に追加してあります。

プログラム-１

 #include<3664.h>

void main(void)
{
  DI;
  
  TW.TCRW.BYTE=0xB9;      // クロックとして、内部クロックの1/8( 2MHz ),マッチＡでタイマクリアあり
                          //　FTIOAの初期値は1
                          //　FTIOBの初期値は0
                          //　FTIOCの初期値は0
                          //　FTIODの初期値は1
  
  TW.TCNT=0x0000;         // TCNの初期化 
  
  TW.TIOR0.BYTE=0x33;     //ﾏｯﾁA,BでFTIOへトグル出力
  TW.TIOR1.BYTE=0x33;     //ﾏｯﾁC,DでFTIOへトグル出力

  int Ha=10000; 
  int Hb=5000;
     
  TW.GRA=Ha;
        
  TW.GRB=Hb;            

  TW.GRC=Ha;            

  TW.GRD=Hb;           
  
  TW.TMRW.BYTE=0x80; /* 1000 0000 カウントスタート*/

  EI;
 
  while(1)  ;
}

       

タイマーＷの設定だけです。
周期はｈａ＝１10００　で362になっています。
パルス図のように　hbはhaの半分にします。

実行結果

ha=11000でスムーズにSPモーターが回りました。もう少し大きく10000にするとゴリゴリという感じで振動が増えてＳＰモーターがまわります。低速にしても振動が増えたりとスムーズに回るところの周波数がある様子です。

ＳＰモーターをきれいに回すにはいろいろ工夫が必要でしょう。

haを変えて、周期は約300～４００でためしましたが、ha=9000あたり以上に早くすると脱調して回らなくなりました。
周期を早くするにつれトルクが減るようで、早くするほど指で回転を止めやすくなりました。

ドライブ回路によっても変わってくると思います。

今回はとりあえず、回転させただけなので次回は角度制御も少しやってみます。