目次
はじめに
電子工作で、とてもメジャーなステッピングモータ(28BYJ-48)があります。動作確認を行っているサイトや動画は沢山あるので、先に分解して中の構造を見つつ、このステッピングモーターの仕組みを調べてまとめます。
概要
このステッピングモーター(28BYJ-48)は永久磁石を使い、かつ、減速のためのギヤを内蔵した、PM型(Permanent magnet type)のギヤードモーターです。
参考資料
減速ギヤとギヤ比
蓋を開けると始めにギヤが見えます(写真1)。中心にあるのがローター(回転子)に繋がっているギヤで、各ギヤの歯の数は以下の通りでした。
| ギヤ | A | B1 | B2 | C1 | C2 | D1 | D2 | E |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 歯の数 | 9 | 32 | 11 | 22 | 9 | 8 | 27 | 24 |
ギヤ比を計算すると「(32/9)*(22/11)*(27/9)*(24/8) = 64」となので、ローターが64回転すると、表に出ている出力軸が1回転します。
モーターの内部構造
減速ギヤを外すとモーターの内部が見えてきます(写真2)。中心にあるローターに巻かれている黒い板が永久磁石です。縦方向にＮ極とＳ極が交互に複数並んでいます。(方位磁石等で確認すると引きつけたり反発したりで、複数の磁極が並んでいることが分かります)
ローターを外すとステータ(固定子)の内側に向か合わせに並んでいる爪のようなものが２段あります。この爪がクローポールと呼ばれるものです(写真3)。コイルに電流を流すことでクローポールに磁力を発生させて(励磁と呼ぶ)、Ｓ極とＮ極を作り出します。ローターの永久磁石とクローポールのＳ極とＮ極が引き寄せられることでローターが回転します。
ステータを取り外して横から見ると、向かい合わせに並んでいた爪の間にコイルが巻かれているのが分かります(写真4)。接続されている基板から配線を確認すると、青色と黄色が下のコイル、桃色と橙色が上のコイル、赤色が両方のコイルに接続されています(写真5)。
このコイルは逆方向に２つの線が巻かれていて、電流を流す線を切り替えることでクローポールの磁極を切り替えられます。(この巻き方をバイファイラ巻きと呼ぶ)
１つのコイルに対して上下にクローポールがあるので、電流が流れたコイルの段にはＳ極とＮ極の両方が現れます。
クローポールをよく見ると、上段と下段のコイルでは爪半分ズラされていていています。このズレに合わせて磁極を切り替えることでローターを一定の方向に回転させることが出来ます。
励磁方式
ステッピングモーターを駆動させる場合、相への電流の掛け方が３種類あります。この28BJY-48は４相なので以下のようになります。
１相励磁(１度に１つの相を励磁する)
| STEP | 青 | 桃 | 黄 | 橙 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | on | – | – | – |
| 2 | – | on | – | – |
| 3 | – | – | on | – |
| 4 | – | – | – | on |
２相励磁(１度に２つの相を励磁する)
| STEP | 青 | 桃 | 黄 | 橙 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | on | on | – | – |
| 2 | – | on | on | – |
| 3 | – | – | on | on |
| 4 | on | – | – | on |
１-２相励磁
| STEP | 青 | 桃 | 黄 | 橙 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | on | – | – | – |
| 2 | on | on | – | – |
| 3 | – | on | – | – |
| 4 | – | on | on | – |
| 5 | – | – | on | – |
| 6 | – | – | on | on |
| 7 | – | – | – | on |
| 8 | on | – | – | on |
１相励磁のイメージ
順番にコイルに電流を流してローターが動くイメージを図にしてみます。モーターを横から見て1相励磁により電流を流すと以下のようになります。決まった順序でコイルに電流を流すことでローターの極が移動していくことが分かります。
ステップ１
透けた緑の枠がローターのＳ極の１つを表してます。青色の線に接続されたコイルに電流を流すと、下段のクローポールが励磁されて、Ｎ極になったクローポールにローターのＳ極が引きつけられます。
ステップ２
桃色の線に接続されたコイルに電流を流すと、上段のクローポールが励磁されて、一番近いＮ極になったクローポールに、ローターのＳ極が引きつけられます。
ステップ３
黄色の線に接続されたコイルに電流を流すと、下段のクローポールが励磁されますがコイルが逆巻きなのでステップ１とは磁極が逆になります。
ステップ４
橙色の線に接続されたコイルに電流を流すと、上段のクローポールが励磁されますがコイルが逆巻きなのでステップ２とは磁極が逆になります。
以降、この４ステップを繰り返すことでローターが回転し続けます。
青ラインと黄ラインでの下段の磁極を確認した結果、青ラインへ電流を流すと底の磁極はS極、黄ラインならＮ極になっていることが分かります。
ローター１回転のステップ数
クローポールを利用しているPM型のステッピングモーターでは、ローターの永久磁石の磁極はクローポールの幅でＳ極とＮ極が交互に並んでいます。
28BYJ-48のクローポールの数は１相に８本ずつあるので、合計で３２本になります。１相励磁で駆動させるとローターの１つの極が３２箇所にとまるので、３２ステップでローターは１回転します(１−２相励磁なら倍の６４ステップ)。
ローター１回転のステップ数からステップ１回の回転角度＝ステップ角は以下のようになります。 – １相励磁と、２相励磁なら「360°/32step = 11.25°」 – １−２相励磁なら「360°/64step = 5.625°」
ネット上で見つかるステップ角「5.625°」は１−２相励磁で駆動させた場合(制御できる最小)のローターの回転角度ということです。
出力軸１回転のステップ数と１ステップの角度
１ステップでのローターの角度が分かっても利用するのは出力軸なので、出力軸が１回転するステップ数と、１ステップでの回転角度が欲しいです。
ローター１回転のステップ数が１相励磁なら３２ステップ(１−２相励磁なら６４ステップ)、ギヤ比が1:64なので出力軸を１回転させるステップ数は以下のようになります。
- １相励磁と、２相励磁なら「32step * 64(ギヤ比) = 2,048step」
- １−２相励磁なら「64step * 64(ギヤ比) = 4,096step」
このステップ数から出力軸１ステップの回転角度は以下のようになります。
- １相励磁と、２相励磁なら「360° / 2,048step = 0.17578125°」
- １−２相励磁なら「360° / 4,096step = 0.087890625°」
細かくて使い辛そうですが、１相励磁なら256ステップで「0.17578125° * 256 = 45°」と考えると少し計算し易いです。
まとめ
ステッピングモーター(28BYJ-28)の概要は分かりました。ここから動作確認を行なっている情報などを参考にして、Arduinoで動かしていきます。