すでにＤＣモータについては説明しました。ＤＣモータは電源を入れると回転するものですが、ステッピングモータは４〜６本の線が出ていて、あるパルスパターンを加えると一定の角度動いて”止まりつづける”、というものです。ということで、DCモータの仕様には回転中のトルクが表記されますが、ステッピングモータは停止時のトルクが表記されます。トルクについては浅草ギ研のサーボののページを参照してください。

　これは浅草ギ研で販売しているＡＡ−ＳＴＭ１５ステッピングモータです。線は４本出ています。大きさはマブチの１３０モータぐらいです。
　　
　一回のパルスパターン変化で回転する角度、はステッピングモータによって違います。AA-STM15の場合は一回で１８度回転します。つまり、２０回のパターン変化で１周回転することになります。

　ステッピングモータからは４本の制御線が出ています。これに下のようなパターンを加えると、一定の角度、これをステップと呼びますが、１ステップづつ回転します。パターン変化を止めると、その位置で停止し、保持します。例えば、下の図でステップ１−＞２−＞３の３で止めたら、その位置を保持しつづけます。
　保持しつづけますが、減速ギアなどは内蔵されていないのでRCサーボよりも保持力は低いので注意して下さい。
　
　この図は概念を簡単に書いたものです。実際には図右のように極が４つということはありませんので、もっと細かい単位で回転します。図を見れば大体の原理はわかると思います。マイクロステップは、４つある線の出力を変えて、本来の角度よりも細かい角度で回転させる手法です。但し、マイクロステップ動作ができないステッピングモータもありますので注意して下さい。ちなみに、浅草ギ研で販売しているAA-STM15は上の図の２相励起（れいき）でしか駆動できません。

　ＲＣサーボなどはサーボの中に位置センサがあって、その情報をフィードバック（サーボの中だけの話）しつつ位置を制御しますが、このような駆動方式を「クローズドループ（閉ループ）制御」と言います。ステッピングモータは、指示を出したら出しっぱなしで勝手に動くのですがこのような駆動方式を「オープンループ（開ループ）制御」と言います。ステッピングモータはそれだけで構成するとフィードバックがないのでオープンループ制御ということになります。
　クローズドループは回路が複雑で高価になりますが、常に位置を測定しているので停止位置は常に正しくなります。オープンループはセンサが無い分、簡単で安価になりますが、常に位置を測定しているのではないので、もしかすると意図した位置にとまっていないかもしれません。
　ステッピングモータが止まろうとする力を「静止トルク」で表します。動作中に静止トルク以上の力が外部から加わったり、また、ステップの移行が速過ぎて意図した位置に止まらないことを「脱調（だっちょう）」といいます。

　ステッピングモータには、コイルの電気的な構造によって「バイポーラ型」と「ユニポーラ型」に分けられます。

　DCモータの構造は、コイルに電流を流し、モータ内の磁石との相反作用で回転します（本当はその他に磁石やブラシ、ステータなどがありますが電気的な説明のみ。）。それを図で表すと次のようになります。
　DCモータ
　モータにつながった端子の電流の向きは、正流になったり逆流になります。電流が正負になるのでHブリッジ回路が必要です。

　ステッピングモータはこのコイルの部分が２つあるような構造になっています。尚、ここではあくまでも電気的な話だけですので、実際の回転する機構は違いますので概念的な部分だけ考えてください。バイポーラとユニポーラを次のような構造になります。
　ステッピングモータ

　バイポーラ型の場合は、モータ側の構造が簡単で、端子数も少ないので結線が楽ですが、１つの端子の極性を制御しないといけないので、駆動回路の方が複雑になります。

　ユニポーラ型の場合は逆に、モータ側の構造が複雑ですが、駆動する端子はONかOFFだけの制御で良いので駆動回路が簡単です。上の図ではユニポーラは６本線になっていますが、それぞれの−線（GND）がモータ内でつながっており外には１本しか出ていないタイプもあります。ということでステッピングモータから線が４本出ていたらバイポーラ、５か６本だったらユニポーラになります。

　と、言うのは一般的な話で、ロボットに使う場合を考えると、結線数の少ないバイポーラ型の方が向いていると私は考えています。駆動回路に関しては、モータドライバICを使えば２極制御は簡単に実現できます。A33FのオプションボードであるA33F-EX1にも２極制御可能なモータドライバICが付いています。１極制御も、マイコンなどでコイルを直接駆動はできないので、どのみちアンプ回路などが必要になってきますので回路規模はバイポーラでもユニポーラでも変わらないと思います。

　ステッピングモータはバイポーラでもユニポーラでも　A相　A-相　B相　B-相　の４つの端子が出ています。

　A33F-EXのモータドライバポートは次のようになっています。
　
　dsPIC33FのOC端子はモータドライバICを経由してこのポートにつながっています。それぞれの端子をONで＋に、OFFで−になると考えてください。詳しくはDCモータ制御のページに書いてあります。なお、OC端子はPWMを生成するもので、汎用IOとしてはポートDになります。
　各端子の間の端子はＧＮＤですので、ユニポーラの場合はＧＮＤ（ＣＯＭＭと表示している場合もある）を真ん中のどこかにつないでください。ＧＮＤ同士はつながっていますのでどこにつないでも同じです。


　接続は次のようにします。

　どれがＡ相なのか、はステッピングモータを買ったところで聞けばわかります。

　ちなみに、ＡＡ−ＳＴＭ１５は線が色別になっており、次のようになっています。
　


＜同時にＲＣサーボを動かす場合の注意＞

　RCサーボを動かす場合もオプションボードのA33F-EX又はA33F-EX2を使うことになりますが、A33F-EXの方はいくつかの端子がDCモータ駆動（又はステッピングモータ駆動）端子と共通になっています。以下の端子はDCモータ駆動時にはRCサーボ駆動には使えませんので注意して下さい。

　実際のステッピングモータの駆動は、単純につないだ端子をHIGH/LOWするだけなのでプログラム的には非常に簡単だと思います。

　接続は次のようになります。AA-STM15は５V動作なので、モータ用電源には５Vをつないでいます。
　


　プログラムは次のようになります。（右クリックで対象を保存）

　Stepper.c

　まず、相と端子の関係がわかりづらいので簡単な名称に定義しなおします。
　

　IOはRD0-3を出力なので、方向レジスタのTRISDの下４ビットを０にしてます。尚、方向レジスタは初期値が１で入力設定ですので注意して下さい。出力に設定するには設定を明記しないと出力になりません。
　

　ステッピングモータのドライブは単純に２相励起のパターンでON/OFFさせています。
　

　Nop(); ですが、これは１クロック間なにもしないという命令です。実は、始めはこれを入れないで連続してPORTDの出力を１ビットづつ操作するプログラムを書いていたのですが、特殊レジスタを設定する場合に連続した１ビットづつを１行づつのプログラムで書くときちんと値が反映されない場合がありました。よって、Nop();を入れています。
　ちなみに当初はこんな感じでした。
　
　実行するとA-相とB-相は問題なくパターンが生成されるのですがA相とB相が出力しません。壊れたかと個一時間チェックしましたが問題がありませんでした。以前、あるレジスタに１ビットづつ値を連続で変えたら問題が起きたことを思い出し、各操作の間にNop();を入れたら問題なく動いたという次第です。

　これはMPLABかC30のどちらかの問題だと思いますが、以前から起きていることなので改良するのは難しいのでしょう。ということで、このプログラムは良くない例として、特殊レジスタに値を設定するなら一度に行った方がよいです。上はわかりやすいかと思って名前を１ビットづつつけたのが敗因でした。

//Step1
PORTD = 0x05;
//Step2
PORTD = 0x03;
//Step3
PORTD = 0x06;
//Step4
PORTD = 0x0C;

のように書いても同じです。


　STM15は１ステップ１８度なので、５０ｍS間隔でステップを変化させると１秒で一周します。



２００７年１２月５日