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2010年12月10日

バイポーラのステッピングモータで振動が出ないようにするには…

カテゴリ：電子工作

ステッピングモータというのは簡単に言うと円周上に
電磁石が付いていて順に電気を流していけば順送りできるので
それで回転するよというモータです。

手抜きで手書きの図です。

今回のモータはバイポーラの２相のモータを使います。

上の図のbコイルに電気を流した状態ならbに磁石が向きます。
この状態でaに電気を流しbの電源をオフにすると
磁石はaに瞬時に移動します。
この時に移動する振動が発生します。

実際はもっと細かいピッチで配置されています。
説明用に荒く描いているだけです。
16度とか9度とか…
もちろん角度が小さい方が振動も小さくなります。

その下のパルスの図が実際にステッピングモータのコイルに
与える電圧で一般にはパルス波です。

この振動を抑えるためには急に電圧を変化させずに
少しづつ電圧を変化させることにより順送りを
ゆるやかに抑えることができます。

手書きの下のサイン波がその図
手書きだからサイン波に見えないって…

交流(AC)と同じ波形を生成します。

実際にどうやるのか…

また手書きです。
段々汚くなってくる
正弦波(サイン波)のつもりです。

原理は検索するとたくさんヒットするので省略します。
わざわざHブリッジを構成すると部品が増えて面倒なので
Hブリッジが入ったドライバチップというのがあるので
それを購入します。
今回はTA7291
入力信号で正転と逆転を切り替えることができます。
電池を接続した場合、正転を選択するとプラス電圧
逆転を選択するとマイナス電圧をモータに与えます。
これも検索するとたくさんヒットするので省略

このTA7291にはリファレンス電圧(Vref)という入力があり
それを変化させることにより電圧を変化させます。

手書きの図のA点で正転を選択し、Vrefを正弦波で上昇させます。
正弦波で降下させゼロボルトになった時点でB点です。
B点で逆転を選択し、Vrefを正弦波で上昇させるとマイナス方向に
電圧がふれます。正弦波でVrefを降下させます。
その時点でC点です。
ここで正転に選択して…
この先は繰り返しですね

TA7291では１相しか制御できないので２相目は
もう１個TA7291を用意します。
１枚目の手書きの下の正弦波のように２相目を
90度位相するとスムーズにまわりますね

実際に方形波(パルス波)でドライブした写真

正弦波(サイン波)でドライブした写真

このモータはどうやら22.5度ピッチのようです。
１センチ程度の小型のモータなので製造時に
細かいピッチにするのは難しいようです。
パルス波でドライブするとすごい振動が起こります。
実際に現物で比較するとよくわかるのですが
ネット上でそういうこともできないので…
実際に作ってみて下さい。

Arduinoはアナログ出力はPWM(Pulse Width Modulation)という
パルス出力でアナログ風の値を得ようとするシステムなので
直接PWMをVrefに入れるとさすがにサイン波を入れているので
振動は軽減されているのですがPWMのパルスの影響を受けて
いるので振動はしています。
コンデンサを入れて平滑化をおこなうとかなり軽減されます。
コンデンサ容量を大きくすると平滑化に時間がかかって
動く速度に制限がつくんだよね
この時点でもわずかに振動は残っています。
でも、パルス波と比べれば比較にならないほど振動がない

ということで
結論
振動はかなり改善されます。

DACというアナログコンバータチップを入れると直接
アナログ値を出してくれるものもあるのでDACを使うとか
ラダー抵抗を使うとアナログ値がでるので
より安定すると思われます。

私は簡単なおもちゃでも作ろうと思って実験的にやってみただけなので
これ以上コストがかかるようなことは考えていませんが
電子工作的にはたのしめると思うのでやってみるのもよいかと思います。
このブログではそこまではたぶんやりません。

ここまで書いたらやり方はわかると思うので
後は実際にやってみてね
プログラムも回路も実際に実験しているので
わかっているけど…
少しは考えた方がたのしいと思うので…
たのしみまでは奪いたくないのでこのあたりにしておこう

おまけ回転している動画(パルス波版です)
http://www.youtube.com/watch?v=4lgt62HAwwA
正転と逆転、ゆっくりとすばやく
ステッピングモータは位置決めがちゃんとできるのが
特徴です。いつも同じ位置でぴたっと止まるでしょう
速度も自由に決められるし…
ただステッピングモータとステップという名前の
通りステップして振動するのでそれが最大の短所
だったので今回改善する方法を書いてみました。