ステッピングモーターの電流を最適化して省電力化＆電流測定 (Raspberry Pi + RPZ-Stepper)

ステッピングモーターは軽負荷や停止時であっても電流を消費するという特徴があります。RPZ-Stepperは回転時、停止時それぞれについて、32段階で電流値を変更できます。最適な値にすることで省電力化が可能です。また、電流の測定も可能で、バッテリーでの動作時間の見積もりが可能です。

更新日 : 2023年11月13日

セットアップ

本記事では高機能モータードライバー基板「RPZ-Stepper」を使用してステッピングモーターを制御します。RPZ-Stepperの特徴、セットアップ、制御ソフトウェアのインストールは製品ページを参照してください。

RPZ-Stepper

制御ソフトウェアcgstepの基本的な使い方は以下の記事で解説しています。まだの方は先に確認してください。

J3 MOTOR1端子にモーターを接続します。

Pythonでの準備

Pythonは対話モードで解説していきます。Pythonサンプルコードも用意しています。

Pythonの場合、モーター制御クラスのインスタンスを作成します。

Python:

from cgstep import TMC5240
m1 = TMC5240()

電流レンジを細かく設定する

current_rangeで基本となる電流レンジを0-2で設定します。電流レンジは相あたりの最大電流を決めるだけでなく、後述する32段階の電流値設定の基準になります。

例えば50%の電流に設定した場合、電流レンジが3Aなら1.5A程度、電流レンジが1Aなら0.5A程度になるということです。なお、モーターの定格以上に電流が流れることはありません。定格で1Aのモーターの場合、電流レンジを3Aにしても1Aまでしか流れません。

逆に、定格が1.5Aのモーターに対して電流レンジを1Aにすることで省電力化することは可能です。その場合はトルクが足りていることを確認してください。

current_range電流レンジ(ピーク/相)電流レンジ(実効値/相)
0 (初期値)1A0.7A
12A1.4A
23A2.1A

Python:

m1.current_range = 2

コマンド:

cgstep current_range -w 2

global_scalerに1-255の値を設定することで電流レンジを細かく調整できます。例えばcurrent_rangeに1、global_scalerに192を設定すると電流レンジは1.5Aとなります。

電流レンジ = current_rangeで設定した値 x (global_scaler)/256

以下の例では0(global_scaler無効、初期値)としています。必要に応じて設定してください。

Python:

m1.global_scaler = 0

コマンド:

cgstep global_scaler -w 0



電流値を設定する

irunでモーター回転中の電流値を、iholdでモーター停止中の電流値をそれぞれ0-31の32段階で設定できます。irunの初期値は31、iholdの初期値は8となっています。

今回では比較のため最初はどちらも最大の31に設定します。

Python:

m1.irun = 31
m1.ihold = 31

コマンド:

cgstep irun -w 31
cgstep ihold -w 31

モーターが停止した後、電流値irunを保持する時間(iholdに下げ始めるまでの待ち時間)をtpowerdownで0-255の範囲で設定できます。時間は以下の式で計算できます。初期値は10です。

停止後irunを保持する時間 = tpowerdown x 21[ms]

Python:

m1.tpowerdown = 10

コマンド:

cgstep tpowerdown -w 10

必須の設定をしておきます。

Python:

m1.vmax = 68720
m1.amax = 500
m1.dmax = 500
m1.enable()

コマンド:

cgstep vmax -w 68720
cgstep amax -w 500
cgstep dmax -w 500
cgstep enable

停止時の電流値を測定する

board_currentを読み出すことで、基板の電流値を測定できます。これはパラメーターではなくcgstepのオペレーション名となります。これにより、設定でどの程度電流値が変化するかの確認や、バッテリーでの動作時間の見積もりが可能です。

測定電流はモーターごとではなく、基板全体の値となります。測定精度は+/-10%となります。

実際に電流値を表示してみます。単位はAです。現在モーターは停止しているので、ihold=31の電流値となります。

Python:

print(m1.board_current)

コマンド:

cgstep board_current

次にiholdを4に変更して電流を測定してみます。電流値が下がっているのが分かると思います。

Python:

m1.ihold = 4
print(m1.board_current)

コマンド:

cgstep ihold -w 4
cgstep board_current

回転時の電流を測定する

今度は回転時の電流を測定してみます。速度指定モードで回転させて測定してみます。irun=31の電流値となります。

Python:

m1.rampmode = TMC5240.RAMPMODE_VELOCITY_POSITIVE
print(m1.board_current)

コマンド:

cgstep rampmode -w 1
cgstep board_current

irunを16に変更して測定してみます。電流値が下がると思います。あまり変わらない場合は電流レンジがモーター定格に対して大きすぎる可能性があります。また、電流値はirunの設定値に比例して変化するわけではありません。

Python:

m1.irun = 16
print(m1.board_current)

コマンド:

cgstep irun -w 16
cgstep board_current

別の解説記事に進む場合は、SW1スイッチを押してリセットするか、以下を実行してモーターをもとの位置に戻しておきます。

Python:

m1.rampmode = TMC5240.RAMPMODE_POSITIONING

コマンド:

cgstep rampmode -w 0

まとめ

制御ソフトウェアcgstepで、ステッピングモーター電流値を設定、測定する方法の解説は以上です。RPZ-Stepperには他にも多くの機能があり、それらの解説記事も参考にしてください。

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