[2020-10-06 / 2021-05-14]

ロータリエンコーダ付きステッピングモータをArduinoで制御して角度を取得する

機材

ステッピングモータの制御

配線

ステッピングモータ本体からは、左から黒・緑・橙・青・赤の5本のケーブルが出ている。 これは説明書を見ると 黒・緑がA相(A・A)、 青・赤がB相(B・B)、 橙が電源になっている。 モータドライバ基板の対応する端子にこれらを接続する。

モータ電源として24V DC電源(ATS065-P240)を使用した。

ドライバ設定

μステップ機能(角度をより細かく制御できる)を使い、 励磁方式をW1-2相励磁(4分割)にするため、ドライバのM3端子をHIGHにする。 今回使ったドライバ基板ではDIPスイッチの4番をONにする。

ドライバ基板上の半固定抵抗(Refに接続)を使って、 カレントダウン(過熱防止のための電流カット機能)時の電流と 通常時の電流をできるだけ絞る(反時計回りで絞れる)。 実際に回すときは、求められるトルクと発熱のトレードオフで調節すると思われる。

制御コード

以下のような機能を実現する簡単な制御コードを書いた。要TimerOne

  • パルスの開始・停止
  • パルス幅の切り替え
  • カレントダウンの切り替え
  • 回転方向の切り替え

SteppingMotor.inoとして新規タブに貼り付ける。

RPM_PER_PULSE_KHZは特性図を見ると、パルス速度 1 kHzのとき回転速度 300 r/minとあるので300を使う。

// ステッピングモータ 制御コード
#include <TimerOne.h>
// ピンはどこでもOK
#define PIN_MTR_DIR 5
#define PIN_MTR_CK 6
#define PIN_MTR_CD 7
// 特性図
// https://www.orientalmotor.co.jp/file_addon/products/st/image/tj_pkp214u06[].gif
#define RPM_PER_PULSE_KHZ 300
bool pulseIsHigh = false;
void initSteppingMotor() {
pinMode(PIN_MTR_DIR, OUTPUT);
pinMode(PIN_MTR_CK, OUTPUT);
pinMode(PIN_MTR_CD, OUTPUT);
digitalWrite(PIN_MTR_DIR, LOW);
digitalWrite(PIN_MTR_CK, LOW);
digitalWrite(PIN_MTR_CD, HIGH);
Timer1.initialize(1000*1000);
}
void stopPulse() {
Timer1.detachInterrupt();
}
void startPulse() {
Timer1.attachInterrupt(switchPulse);
}
void switchPulse() {
pulseIsHigh = !pulseIsHigh;
digitalWrite(PIN_MTR_CK, pulseIsHigh ? HIGH : LOW);
}
void setPulseLengthMillis(float pulseMillis) {
int pulseMicros = pulseMillis * 1000;
if (pulseMicros < 1) pulseMicros = 1;
Timer1.setPeriod(pulseMicros);
}
void setPulseLengthByKHz(float khz) {
float pulseMillis = 1.0 / khz;
setPulseLengthMillis(pulseMillis);
}
void setPulseLengthByRPM(float rpm) {
float pulseKHz = rpm / RPM_PER_PULSE_KHZ;
setPulseLengthByKHz(pulseKHz);
}
void disableCurrentDown() {
digitalWrite(PIN_MTR_CD, LOW);
}
void enableCurrentDown() {
digitalWrite(PIN_MTR_CD, HIGH);
}
void setCW() {
digitalWrite(PIN_MTR_DIR, LOW);
}
void setCCW() {
digitalWrite(PIN_MTR_DIR, HIGH);
}

実行コード

以下のようにテスト用の実行コードを作った。 30rpm、300rpm、1000rpm、300rpm、30rpm、停止、のように回転し、一巡するごとに回転方向を反転する(あまり急激に変化させると脱調してしまい回らない)。

// ステッピングモータ 実行コード
int prevPhase = -1;
bool isClockwise = true;
void setup() {
Serial.begin(115200);
initSteppingMotor();
}
void loop() {
long now = millis();
int interval = 1000;
int phase = (now / interval) % 6;
if (phase != prevPhase) {
Serial.print("[");
Serial.print(now);
Serial.print("] ");
if (isClockwise) Serial.print("(C) ");
else Serial.print("(A) ");
if (phase == 0) {
Serial.println("stop");
stopPulse();
enableCurrentDown();
}
else if (phase == 1) {
Serial.println("30rpm");
disableCurrentDown();
if (isClockwise) setCW();
else setCCW();
isClockwise = !isClockwise;
setPulseLengthByRPM(30);
startPulse();
}
else if (phase == 2) {
Serial.println("300rpm");
setPulseLengthByRPM(300);
}
else if (phase == 3) {
Serial.println("1000rpm");
setPulseLengthByRPM(1000);
}
else if (phase == 4) {
Serial.println("300rpm");
setPulseLengthByRPM(300);
}
else if (phase == 5) {
Serial.println("30rpm");
setPulseLengthByRPM(30);
}
else {
Serial.println("nope");
}
}
prevPhase = phase;
}

ロータリエンコーダによる角度取得

配線

ロータリエンコーダ本体からは、左から白・橙・黄・青・緑・茶・赤・黒の8本のケーブルが出ている。 これは説明書を見ると 赤・茶がA相(A+・A-)、 緑・青がB相(B+・B-)、 黃・橙がZ相(Z+、Z-)、 白がVCC(5V)、 黒がGNDになっている。 +-はそれぞれ出力が反転しているだけなので、 各相1本だけを接続すればいい。 Z+は軸が一周するタイミングで正になる端子で、誤差修正に使う。 よって、赤・緑・黃・白・黒の5本を接続する。

ロータリエンコーダの読み取りには割り込みを使うので、 A+、B+は2番、3番ピンに接続する。 Z+は4番ピン(これはどこでもOK)に接続することにする。 VCCとGNDはArduinoの5V、GNDに接続すればいい。

計算コード

この記事を参考にして、ロータリエンコーダの角度計算をするコードを書いた。 A相B相のパターンに基づく計算はそのままで、不要な部分の除去とZ相によるリセット、オーバーフロー防止のためカウント超過時のリセットを追加した。 なおPPRは200なので、1.8°の分解能になる。

RotaryEncoder.inoとして新規タブに貼り付ける。

// ロータリエンコーダ 計算コード
#define PPR 200 // p/r, pulse per revolution
#define PIN_RTE_A 2
#define PIN_RTE_B 3
#define PIN_RTE_Z 4
#define NONE 0
#define CW 1
#define CCW 2
volatile char direction = NONE; // NONE, CW, CCW
volatile int steps = 0;
volatile bool prevPinA = false;
volatile bool prevPinB = false;
volatile bool prevPinZ = false;
void initRotaryEncoder() {
pinMode(PIN_RTE_A, INPUT_PULLUP);
pinMode(PIN_RTE_B, INPUT_PULLUP);
pinMode(PIN_RTE_Z, INPUT_PULLUP);
attachInterrupt(0, onRotaryEncoderPulse, CHANGE); // pin2
attachInterrupt(1, onRotaryEncoderPulse, CHANGE); // pin3
}
int getRotaryEncoderStep() {
return steps;
}
float getRotaryEncoderAngleRate() {
return (float)steps / PPR;
}
float getRotaryEncoderAngleDegrees() {
return getRotaryEncoderAngleRate() * 360.0f;
}
float getRotaryEncoderAngleRadians() {
return getRotaryEncoderAngleRate() * 2 * PI;
}
void onRotaryEncoderPulse() {
bool pinZ = digitalRead(PIN_RTE_Z);
if (pinZ && prevPinZ) steps = 0;
bool pinA = !digitalRead(PIN_RTE_A);
bool pinB = !digitalRead(PIN_RTE_B);
if (pinA != prevPinA || pinB != prevPinB) {
if (direction == NONE) {
if (pinA) direction = CW;
if (pinB) direction = CCW;
}
else {
if (!pinA && !pinB) {
if (direction == CW && prevPinB) steps++;
else if (direction == CCW && prevPinA) steps--;
if (steps < 0) steps += PPR;
if (PPR <= steps) steps -= PPR;
direction = NONE;
}
}
}
prevPinA = pinA;
prevPinB = pinB;
prevPinZ = pinZ;
}

実行コード

以下のようにテスト用の実行コードを作った。 感電に注意しつつ、手で軸を回して角度が変化することを確認する。

// ロータリエンコーダ 実行コード
void setup() {
Serial.begin(115200);
initRotaryEncoder();
}
void loop() {
Serial.println(getRotaryEncoderAngleDegrees());
delay(10);
}

ステッピングモータ+ロータリエンコーダ

シリアル通信で送られてきたJSONをパースする

シリアル通信で改行文字で区切られたJSONをやり取りするため、SerialJsonLineReader.inoを作った。要ArduinoJson

// Requirements:
// #include <ArduinoJson.h>
String serialBuffer = "";
bool nextSerialLine(String *serialLine) {
*serialLine = "";
while (Serial.available() > 0) {
int ch = Serial.read();
if (ch != -1) {
if (ch == '\n') {
*serialLine = serialBuffer;
serialBuffer = "";
return true;
}
serialBuffer += (char) ch;
}
}
return false;
}
bool nextSerialJson(JsonDocument *serialJson, bool *jsonError) {
String serialLine = "";
*jsonError = false;
serialJson->clear();
if (nextSerialLine(&serialLine)) {
DeserializationError error;
error = deserializeJson(*serialJson, serialLine);
if (error == DeserializationError::Ok) {
return true;
}
*jsonError = true;
serialJson->clear();
}
return false;
}

シリアル通信からステッピングモータ制御+角度取得

{"rpm": 300}

このようなJSONをシリアル通信でArduinoに送ることで、 ステッピングモータが回転するようにし、 また逐次回転角度をシリアル通信で送る実行コードを作った。 要SteppingMotor.inoRotaryEncoder.inoSerialJsonLineReader.ino

#include <ArduinoJson.h>
#define MIN_RPM 30
#define MAX_RPM 3000
float rpm = 0;
void setup() {
Serial.begin(115200);
initRotaryEncoder();
initSteppingMotor();
}
void loop() {
float angleDegrees = getRotaryEncoderAngleDegrees();
if (rpm < MIN_RPM) {
rpm = 0;
stopPulse();
enableCurrentDown();
}
else {
setPulseLengthByRPM(rpm);
startPulse();
}
StaticJsonDocument<255> msg;
msg["angle"] = angleDegrees;
msg["rpm"] = rpm;
serializeJson(msg, Serial); Serial.println();
// serialEvent is now deprecated and not working on some Arduino devices (e.g. Arduino Nano Every).
// https://github.com/arduino/ArduinoCore-avr/issues/206#issuecomment-532133626
// https://forum.arduino.cc/t/nano-every-serialevent-does-not-get-called/690025
//
// }
//
// void serialEvent() {
// StaticJsonDocument<255> msg;
bool jsonError = false;
if (nextSerialJson(&msg, &jsonError)) {
float _rpm = msg["rpm"];
if (_rpm < MIN_RPM) _rpm = 0; // current down
if (MAX_RPM < _rpm) _rpm = MAX_RPM;
rpm = _rpm;
}
else if (jsonError) {
// StaticJsonDocument<255> response;
// serializeJson(response, Serial); Serial.println();
}
}