ステッピングモータ制御ユニット(I2C対応)

概要

ロボットやCNC(Computerized Numerical Control)の製作にも興味があります。
その時には、複数のステッピングモータを制御することが求められます。
そこで、最大8台まで接続可能な、I2C対応のステッピングモータ制御ユニットを製作しました。

今回使用した、ステッピングモータは、以前に秋月電子通商で購入した、多摩川精機製の「TS3103N124」を使用しましたが、相当のものであれば特に問題はありません。

<TS3103N124の規格>

2相ユニポーラ型
ステップ数200(1.8度)
駆動電圧(12~24V)
コイル電流140mA
コイル抵抗86Ω/相

<自律走行車(ロボット・カー)への適用例>

動作原理

I2Cのスレーブ機能としての、基本的な構造は、前回製作した、LCDモニター(I2C対応)と同じです。
ステッピングモータの制御については、以前に製作した、ステッピングモータ制御を参照して下さい。

<メモリ構造>
ステッピングモータの制御(方向、回転数、速度等)をするために、5バイトのメモリを使用します。
【0x00】MODE(0:停止、1:運転)
【0x01】DIR(0:正転、1:逆転)
【0x02】STEP(0~65535回転数の上位バイト)
【0x03】STEP(0~65535回転数の下位バイト)
【0x04】SPEED(0~255、単位は、msec)

<処理の流れ>

I2Cのストップ処理が完了するまで待機する。(マスターからの指示を待つ)
MODEが運転であれば、DIR、STEP、SPEEDを読み込みセットする。
ステッピングモータを指示通りに動作させる。
動作完了後に、MODEを停止にする。
1.へ戻る。

<マスター側からの制御方法>

ステッピングモータを動作させる。(運転)
1. Soft_I2C_Start();
2. Soft_I2C_Write(0x9E);//アドレスセット
3. Soft_I2C_Write(0x00);//メモリアドレスセット
4. Soft_I2C_Write(1);//運転
5. Soft_I2C_Write(0);//正転
6. Soft_I2C_Write(0);
7. Soft_I2C_Write(200);//200ステップ
8. Soft_I2C_Write(100);//速度100msec/step
9. Soft_I2C_Stop();

ステッピングモータの停止を確認する。
1. Soft_I2C_Start();
2. Soft_I2C_Write(0x9E);
3. Soft_I2C_Write(0x00);
4. Soft_I2C_Start();
5. Soft_I2C_Write(0x9F);
6. dat = Soft_I2C_Read(NO_ACK);
7. Soft_I2C_Stop();
8. datの値が、0x00であれば停止している。それ以外なら動作中なので1.へ戻る。

回路図

ソースコード

SteppingMotor_i2c.c

//********************************************************************** 
/*
	＜ステッピングモータ（Ｉ２Ｃ対応）＞
 
	■TS3103N124
　　　白： 電源（９～１５V）
　　　緑： X1：PORTA.F6  0 1 1 0
　　　赤： Y1：PORTA.F7  0 0 1 1
　　　黄： X2：PORTA.F0  1 0 0 1
　　　青： Y2：PORTA.F1  1 1 0 0
*/
//********************************************************************** 
 
#define		ADDR_BASE	0x90
 
#define		SW_ADDR1	PORTB.F0
#define		SW_ADDR2	PORTB.F2
#define		SW_ADDR3	PORTB.F3
 
#define		ON			1
#define		OFF			0
 
#define		MEMORY_SIZE	5
 
#define		LED			PORTB.F5
 
#define		SM_X1		PORTA.F6
#define		SM_Y1		PORTA.F7
#define		SM_X2		PORTA.F0
#define		SM_Y2		PORTA.F1
 
//********************************************************************** 
 
void	i2c_Write(unsigned short dat)
{
	while (SSPSTAT.BF == 1)
		;
	while (1) {
		SSPCON.WCOL = 0;
		SSPBUF = dat;
		if (SSPCON.WCOL == 1)
			continue;
		//
		SSPCON.CKP = 1;
		return;
	}
}
 
//********************************************************************** 
 
static	unsigned	short	i2c_memory[MEMORY_SIZE], i2c_pnt, i2c_flg, i2c_tmp, i2c_start_flg, i2c_stop_flg;
/*
i2c_memory[0]    MODE(0:停止、1:運転)
i2c_memory[1]    DIR(0:右回転、1:左回転)
i2c_memory[2,3]  STEP(0～65535回転数)
i2c_memory[4]    SPEED(0～255msec)
*/
//********************************************************************** 
 
void	i2c_Handler()
{
	if (SSPSTAT.S == 1)		//スタートビットを検出。
		i2c_start_flg = 1;
	if (SSPSTAT.P == 1)		//ストップビットを検出。 
		i2c_stop_flg = 1;
	//
	i2c_tmp = SSPSTAT & 0b00101101;
	//
	if (i2c_tmp == 0b00001001) {	//書き込みモード、デバイスアドレス
		i2c_tmp = SSPBUF; 
		i2c_flg = 0;
		i2c_pnt = 0;
		return;
	}
	if (i2c_tmp == 0b00101001) {	//書き込みモード、データ
		if (i2c_flg == 0) {
			i2c_pnt = SSPBUF;
			i2c_flg = 1;
			return;
		}
		if (i2c_flg == 1) {
			if (i2c_pnt < MEMORY_SIZE) {
				i2c_memory[i2c_pnt] = SSPBUF;
				i2c_pnt++;
			}
			return;
		}
	}
	if (i2c_tmp == 0b00001100) {	//読み込みモード、デバイスアドレス 
		i2c_Write(i2c_memory[i2c_pnt]);
		i2c_pnt++;
		return;
	}
	if (i2c_tmp == 0b00101100) {	//読み込みモード、データ（ＡＣＫ） 
		i2c_Write(i2c_memory[i2c_pnt]);
		i2c_pnt++;
		return;
	}
	if (i2c_tmp == 0b00101000) {	//読み込みモード、データ（ＮＯ＿ＡＣＫ） 
		i2c_tmp = SSPBUF;
		SSPCON = 0b00111110;
		return;
	}
}
 
//********************************************************************** 
 
void	interrupt()
{
	if (PIR1.SSPIF == 1) {
		PIR1.SSPIF = 0;
		//
		LED = ON;
		i2c_Handler();
		LED = OFF;
	}
}
 
//********************************************************************** 
 
short	pnt;
 
void	SteppingMotorTurn(short dir, unsigned int step, short speed)
{
	unsigned	int		cnt;
	unsigned	short	cnt2;
	//
	for (cnt = 0; cnt < step; cnt++) {
		if (dir == 0) {		//正転 
			if (pnt < 3)
				pnt++;
			else
				pnt = 0;
		} else {			//逆転
			if (pnt > 0)
				pnt--;
			else
				pnt = 3;
		}
		switch (pnt) {
		case 0:
			SM_X2 = ON;
			SM_Y2 = ON;
			SM_X1 = OFF;
			SM_Y1 = OFF;
			break;
		case 1:
			SM_X2 = OFF;
			SM_Y2 = ON;
			SM_X1 = ON;
			SM_Y1 = OFF;
			break;
		case 2:
			SM_X2 = OFF;
			SM_Y2 = OFF;
			SM_X1 = ON;
			SM_Y1 = ON;
			break;
		case 3:
			SM_X2 = ON;
			SM_Y2 = OFF;
			SM_X1 = OFF;
			SM_Y1 = ON;
			break;
		}
		for (cnt2 = 0; cnt2 < speed; cnt2++) {
			Delay_ms(1);
		}
	}
}
 
//**********************************************************************
 
void	SteppingMotorCntl()
{
	unsigned	short	dir, speed, mode;
	unsigned	int		step;
	//
	pnt = 0;
	SM_X2 = ON;
	SM_Y2 = ON;
	SM_X1 = OFF;
	SM_Y1 = OFF;
//	i2c_memory[0] = 1;
//	i2c_memory[1] = 0;
//	i2c_memory[2] = 0;
//	i2c_memory[3] = 200;
//	i2c_memory[4] = 100;
	//
	while (1) {
		if (i2c_stop_flg == 1) {
			i2c_stop_flg = 0;
			//
			mode = i2c_memory[0];
			dir = i2c_memory[1];
			step = i2c_memory[2];
			step = (step << 8) + i2c_memory[3];
			speed = i2c_memory[4];
			//
			if (mode == 1) {
				SteppingMotorTurn(dir, step, speed);
				i2c_memory[0] = 0;
			}
		}
	}
}
 
//**********************************************************************
 
void	main()
{
	unsigned	short	cnt;
	//
	CMCON  = 0b00000111;		//コンパレータは使用しない。 
	ANSEL  = 0b00000000;		//A/Dコンバータは使用しない。 
	OSCCON = 0b01110000;		//クロックは内臓8MHzを使用する。 
	TRISA  = 0b00111100;		//PORTAを設定する。 
	TRISB  = 0b00011111;		//PORTBを設定する。 
	OPTION_REG.NOT_RBPU = 0;	//PORTBをプルアップする。
	//Ｉ２Ｃを設定する。 
	SSPSTAT.SMP = 1;
	SSPSTAT.CKE = 1;
	SSPCON.WCOL = 0;
	SSPCON.SSPOV = 0;
	SSPCON.SSPEN = 1;
	SSPCON.CKP = 1;
	SSPCON.SSPM0 = 0;
	SSPCON.SSPM1 = 1;
	SSPCON.SSPM2 = 1;
	SSPCON.SSPM3 = 1;
	SSPADD = ADDR_BASE + ((SW_ADDR3 == 1) ? 8 : 0) + ((SW_ADDR2 == 1) ? 4 : 0) + ((SW_ADDR1 == 1) ? 2 : 0);
	PIE1.SSPIE = 1;
	PIR1.SSPIF = 0;
	//
	LED = OFF;
	i2c_pnt = 0;
	i2c_flg = 0;
	i2c_start_flg = 0;
	i2c_stop_flg = 0;
	for (cnt = 0; cnt < MEMORY_SIZE; cnt++) {
		i2c_memory[cnt] = 0x00;
	}
	//
	for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
		LED = ON;
		Delay_ms(50);
		LED = OFF;
		Delay_ms(50);
	}
	// 割り込み(全体)の設定
	INTCON.PEIE = 1;
	INTCON.GIE = 1;
	//
	while (1) {
		SteppingMotorCntl();
	}
}
 
//**********************************************************************

<参考>
※テストデータ送信用(I2Cマスター/PIC12F683)のプログラムです。

SteppingMotor_i2c_master.c

//********************************************************************** 
/*
　『ステッピングモータのテストデータ送信用（マスター）』
*/
//********************************************************************** 
 
#define		SW				GPIO.F3
#define		LED				GPIO.F2
 
#define		ON				1
#define		OFF				0
 
#define		ACK				1
#define		NO_ACK			0
 
//********************************************************************** 
 
void	SwitchONcheck()
{
	while (Button(&GPIO, 3, 1, 0) == 0)
		;
	while (Button(&GPIO, 3, 1, 1) == 0)
		;
}
 
//********************************************************************** 
 
void main()
{
	unsigned	short	cnt, dat;
	//
	CMCON0 = 0b00000111;
	ANSEL.ANS0 = 0;
	ANSEL.ANS1 = 0;
	ANSEL.ANS2 = 0;
	ANSEL.ANS3 = 0;
	ADCON0.VCFG = 0;
	TRISIO = 0b00001011;
	OSCCON = 0b01110000;
	//
	for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
		LED = ON;
		Delay_ms(50);
		LED = OFF;
		Delay_ms(50);
	}
	//
	Soft_I2C_Config(&GPIO, 4, 5);	// SDA, SCL
	//
	while (1) {
		SwitchONcheck();
		//
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0x9E);
		Soft_I2C_Write(0x00);
		Soft_I2C_Write(1);
		Soft_I2C_Write(0);
		Soft_I2C_Write(0);
		Soft_I2C_Write(200);
		Soft_I2C_Write(100);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//
		while (1) {
			Soft_I2C_Start();
			Soft_I2C_Write(0x9E);
			Soft_I2C_Write(0x00);
			Soft_I2C_Start();
			Soft_I2C_Write(0x9F);
			dat = Soft_I2C_Read(NO_ACK);
			Soft_I2C_Stop();
			//
			if (dat == 0)
				break;
		}
		//
		SwitchONcheck();
		//
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0x9E);
		Soft_I2C_Write(0x00);
		Soft_I2C_Write(1);
		Soft_I2C_Write(1);
		Soft_I2C_Write(0);
		Soft_I2C_Write(200);
		Soft_I2C_Write(100);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//
		while (1) {
			Soft_I2C_Start();
			Soft_I2C_Write(0x9E);
			Soft_I2C_Write(0x00);
			Soft_I2C_Start();
			Soft_I2C_Write(0x9F);
			dat = Soft_I2C_Read(NO_ACK);
			Soft_I2C_Stop();
			//
			if (dat == 0)
				break;
		}
		//
		for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
			LED = ON;
			Delay_ms(50);
			LED = OFF;
			Delay_ms(50);
		}
	}
}
 
//**********************************************************************

動作確認

以前に製作した、ステッピングモータ制御の基板を少し改良しました。

テストデータ送信用のPIC12F683です。白色がSCL、青色がSDAです。

マスター側のスイッチを押す毎に、正転(200ステップ/360度)、逆転(200ステップ/360度)を繰り返します。

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目次

ステッピングモータ制御ユニット(I2C対応)

概要

動作原理

回路図

ソースコード

動作確認

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