静音モードでステッピングモーターの動作音を抑える (Raspberry Pi + RPZ-Stepper)

ステップ角単位で回転するという仕組み上、ステッピングモーターは振動や音が大きくなりやすい特徴があります。RPZ-Stepperは静音モードを搭載しており、特に低速回転時において振動と音を低減できます。静かな環境で動作させるアプリケーションに最適です。

更新日 : 2023年11月13日

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。

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()

静音モードはen_pwm_modeに1を設定することで有効になります。TMC5240でStealthChop2と呼ばれている機能になります。

Python:

m1.en_pwm_mode = 1

コマンド:

cgstep en_pwm_mode -w 1

pwm_freqでPWM周波数を変更できます。通常は初期値の0から変更不要です。何らかの理由で変更したい場合は以下の表を参考に設定します。

Python:

m1.pwm_freq = 0

コマンド:

cgstep pwm_freq -w 0

必須の設定をしておきます。

Python:

m1.current_range = 2
m1.vmax = 80000
m1.amax = 500
m1.dmax = 500
m1.enable()

コマンド:

cgstep current_range -w 2
cgstep vmax -w 80000
cgstep amax -w 500
cgstep dmax -w 500
cgstep enable

xtargetを設定して回転させてみます。静音モードを有効にしたことで、動作音や振動が抑えられているのが分かると思います。

Python:

m1.xtarget = 153600

コマンド:

cgstep xtarget -w 153600

モータードライバーは回転時の負荷や電流に応じて自動的にPWMの設定を最適化するため、ユーザー側で細かい調整は不要です。手動で調整したい場合はTMC5240データシートを参照してください。

静音モードは動作音を大幅に減らしますが、若干トルクが落ちる特徴があります。そこで、高速で回転させる場合にトルクを確保するため、一定速度以上で自動的に静音モードを解除する機能があります。(オプション機能)

この機能を有効にするには, tpwmthrsを設定します。

tpwmthrsは速度のvmaxなどと異なり、tstep単位で指定します。

tstep = 16777216 ÷ 速度v

の関係があります。また、モーターの現在のtstepはtstepパラメーターを読み出して確認可能です。

200ステップ/回転のモーターの場合、60rpmのとき速度v=68720、tstep=244となります。今回の例では244にして回転させてみます。vmaxが80000なので、最高速度付近では静音モードが無効に切り替わります。実際には運用に応じた値を設定してください。

Python:

m1.tpwmthrs = 244
m1.xtarget = 0

コマンド:

cgstep tpwmthrs -w 244
cgstep xtarget -w 0

tpwmthrsに0を設定すると静音モードが常に有効な状態に戻ります。

Python:

m1.tpwmthrs = 0

コマンド:

cgstep tpwmthrs -w 0

静音モードで利用可能なもう一つのオプション機能を紹介します。

指定位置で停止している場合、通常ステッピングモーターはその位置で固定される力が働きます。freewheelオプションを使うと、停止時に位置を固定せず外力で回転可能な状態にすることができます。消費電力もカットできます。特に固定する必要がないアプリケーションでご利用ください。

以下の表の通り、freewheelの設定値によって動作が変わります。また、この機能は停止時の電流iholdを最低の0に設定することで有効になります。

freewheel	動作
0 (初期値)	通常の動作。モーター位置を保持する
1	フリーホイール。電流を流さず、モーターが外力で回転する
2	パッシブブレーキ。電流を流さず、モーターが外力で回転するがブレーキがかかる

フリーホイールに設定する例です。モーターの位置が固定されなくなるのが分かると思います。

Python: