第 17 章　（任意）ステッピングモータ¶

Part IV「電気系トピック」の最終章。ステッピングモータ は、DC モータとサーボの中間のような存在で、フィードバックなしで高精度な位置決め ができるモータです。3D プリンタ、CNC、カメラ回転台などで活躍します。

本章は v1 では任意扱いです（CONCEPT.md §14 未決事項）。ライントレースカー程度では使いませんが、次のステップに進みたい読者向け の知識として置いておきます。

代表ボード：Arduino Uno R3

この章で壊しやすいもの

ステッピングモータドライバ（電流制限設定ミスで過熱・焼損）
モータ（電流過多でコイル焼損、長時間のホールド電流で発熱）
電源（ユニポーラ／バイポーラ駆動の違いによる電流設計ミス）
自分の指（高速回転中にロボットアーム等が想定外の動きをして挟む）

この章のゴール¶

バイポーラ／ユニポーラの違いと 巻線構造 を理解する
A4988 / DRV8825 を選べる、違いを説明できる
ドライバの V_REF（Reference Voltage ＝基準電圧。ドライバがモータに流す最大電流を決めるために使う、ドライバ基板上の可変抵抗の調整電圧）から 電流制限 を正しく設定できる
STEP / DIR 信号で指定ステップ数だけ回せる

1. 動機：サーボと DC モータの間を埋めたい¶

モータ種類	位置精度	フィードバック必要	用途
DC モータ	低（エンコーダ併用で改善）	必要	走行
サーボ	中（±2° 程度）	内蔵済み	アーム、ステアリング
ステッピング	高（0.1° 単位）	不要（オープンループで使える）	3D プリンタ、CNC、精密位置決め

ステッピングモータは、1 ステップごとに決まった角度だけ回転 する構造なので、「ステップ数を数えれば位置が分かる」という特性があります。ただし ミスステップ（脱調） が起きると位置がずれるので、高速・高負荷では限界があります。

2. ステッピングモータの構造¶

ローターに永久磁石、ステーターに複数のコイル。コイルに順番に電流を流すことで、ローターが決まった角度ずつ回ります。

2.1 ステップ角¶

1.8°/ステップ（200 step/回転）：最も一般的、NEMA17 サイズの定番
0.9°/ステップ（400 step/回転）：高精度、やや高価
7.5°/ステップ（48 step/回転）：小型、ホビー用

2.2 バイポーラ vs ユニポーラ¶

バイポーラ：2 相、4 線、電流を両方向に流す、効率が高く主流
ユニポーラ：2 相、5 線 or 6 線、電流を片方向のみ、制御が簡単だが効率低

本書はバイポーラ前提。市販のほとんどのホビー用ステッピング（NEMA17、28BYJ-48 のバイポーラ改造版等）はバイポーラです。

3. 素朴な（NG）設計：GPIO 直接駆動¶

Arduino の GPIO から直接モータコイルに繋ぐ、は完全な NG:

コイル電流は数百 mA 〜数 A、GPIO の 40 mA を遥かに超える
バイポーラ駆動には電流方向の切替が必要、GPIO では無理
逆起電力対策も必要

必ず専用ドライバ IC（A4988、DRV8825 等）を使う。

4. 正しい設計：A4988 / DRV8825 ドライバ¶

4.1 代表ドライバの比較¶

ドライバ	連続電流	モータ電圧	マイクロステップ	特徴
A4988	1 A（放熱なし）〜 2 A（放熱あり）	8〜35 V	1, ½, ¼, ⅛, 1/16	最も流通、ホビー定番
DRV8825	1.5 A（放熱なし）〜 2.5 A	8.2〜45 V	1, ½, ¼, ⅛, 1/16, 1/32	A4988 より電流・マイクロステップ多い
TMC2208 / TMC2209	1.4 A	5.5〜36 V	最大 1/256	静音、本格機種向け

本書のデフォルトは A4988。安価で情報が多く、学習用途に最適。

4.2 配線¶

A4988 ステッピングモータドライバの配線と V_REF

STEP：Arduino の GPIO（PWM 不要、digitalWrite で 1 ステップごとにパルスを送る）
DIR：Arduino の GPIO（方向指定）
V_DD / GND：Arduino の 5V / GND（ロジック電源）
V_M / GND：モータ電源（8〜35V、A4988 の場合）
1A / 1B / 2A / 2B：ステッピングモータの 4 線

ステッピングのモータ電源は高い

DC モータが 6〜12V なのに対し、ステッピングは 12〜24V を使うのが普通です。これは 電流の立ち上がりを速くする ため（コイルのインダクタンス L に対して dI/dt = V/L を大きくしたい）。電源の選定と、ショート時の被害範囲（第 1 章 §6.5 の電源容量表）に注意。

4.3 最小スケッチ¶

// 配線：
//   D2 → A4988 STEP
//   D3 → A4988 DIR
//   Arduino 5V → A4988 V_DD
//   Arduino GND → A4988 GND
//   モータ電源（12V） → A4988 V_M
//   モータ電源 GND → A4988 GND（共通）
//   A4988 1A,1B,2A,2B → ステッピングモータ 4 線
//   A4988 RESET と SLEEP をショート（繋いで両方 HIGH）

const int STEP_PIN = 2;
const int DIR_PIN = 3;
const int STEPS_PER_REV = 200;  // 1.8°/step

void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(DIR_PIN, HIGH);   // 方向：正転
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 1 回転分のステップ
  for (int i = 0; i < STEPS_PER_REV; i++) {
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(500);       // 500 us HIGH
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(500);       // 500 us LOW → 1 step = 1 ms → 1000 step/s
  }
  Serial.println("1 rev done");
  delay(1000);

  // 逆転
  digitalWrite(DIR_PIN, LOW);
  for (int i = 0; i < STEPS_PER_REV; i++) {
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(500);
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(500);
  }
  delay(1000);
  digitalWrite(DIR_PIN, HIGH);
}

上のスケッチで 1 秒間に 1000 ステップ = 5 回転 の速さで回ります。

5. 電流制限（V_REF）の設定¶

ステッピングドライバ使用で 最も重要、かつ最も間違えやすい 設定が 電流制限 です。

5.1 なぜ電流制限が必要か¶

モータコイルに流せる電流は データシートの定格（例：NEMA17 なら 1.5 A / コイル）
ドライバはこれ以上の電流を流す能力を持っている
設定せずに使うと、コイルが過電流で焼損、ドライバが過熱

5.2 V_REF 設定の手順¶

A4988 の場合、電流制限は 基板上の可変抵抗（ポット） を調整して、V_REF ピンの電圧で決まります:

\[ I_{\text{max}} = \frac{V_{REF}}{8 \times R_{SENSE}} \]

R_SENSE は基板固有（Pololu 製 A4988 なら 0.05 Ω、互換品は 0.1〜0.2 Ω）。

5.3 実際の調整手順¶

モータ電源を接続しない、ロジック電源（Arduino の 5V）のみで A4988 に給電
テスタの DCV モードで V_REF ピンと GND 間を測定
可変抵抗（ポット）をマイナスドライバで ゆっくり回して V_REF を目標値に設定
- NEMA17（定格 1.5 A）、R_SENSE 0.05 Ω なら V_REF = 1.5 × 8 × 0.05 = 0.6 V
- マージンを取って定格の 70〜80% で使う（= V_REF 0.4〜0.5 V）。理由は、ドライバの発熱を抑える（定格ギリギリで使うと IC 温度が上がり過熱保護が働いて動作が断続的になる）、モータコイルの寿命を延ばす（過電流は絶縁被膜の劣化を早める）の 2 点
モータ電源を繋ぐ前に、目標 V_REF に設定できている ことを再確認
モータ接続、電源投入、動作確認

V_REF 測定中にモータを繋がない

モータ電源を繋いだ状態で V_REF 調整すると、ドライバが急に大電流を流してモータかドライバが焼ける ことがあります。必ずロジック電源のみで V_REF を設定してから、モータ電源を繋ぎます。

5.4 発熱とホールド電流¶

ステッピングは 止めている状態でも電流を流し続ける（ホールド電流）ので、DC モータより発熱が大きいです。

ドライバ IC の ヒートシンク必須（両面テープ付きアルミフィンを貼る）
モータ本体も 触って 60℃ 以上 は注意、80℃ 以上 は危険域
長時間ホールドする必要がない場合、SLEEP ピンで休止 すると発熱が減る

6. マイクロステップ¶

A4988 / DRV8825 は 1 ステップを複数に分割 して滑らかに回せます。

フルステップ（デフォルト）：200 step/回転、粗い
½ ステップ：400 step/回転
1/16 ステップ（A4988 最大）：3200 step/回転、滑らか

マイクロステップを選ぶには、MS1 / MS2 / MS3 ピン の HIGH/LOW を組み合わせます（データシートの真理値表を参照）。

用途：低速で滑らか動作が必要（精密機構、静粛性が必要な場面）
副作用：トルクが落ちる（フルステップ比 70〜100%）、ステップ周波数が上がるのでマイコンの処理が忙しくなる

7. 動作確認チェックリスト¶

7.1 電源投入前¶

第 7 章全項目通過
V_REF を設定済み（§5.3）、モータ電源を繋ぐ前に必ず確認
RESET / SLEEP ピン が HIGH（動作可能状態）
ヒートシンク が A4988 に貼り付けられている
モータ電源が A4988 の V_M 定格内（8〜35V、A4988）

7.2 電源投入後¶

STEP パルスでモータが 決まった角度ずつ回る（DIR が正しければ正方向）
ドライバ IC の温度（手かざし、第 8 章 §5）
モータ本体の温度（10 分連続動作で確認）
異音（キーキー、脱調時のカチカチ）がない
指定ステップ数分、正確に回転している（脱調していない）

8. よくあるトラブル FAQ¶

モータが回らない、ジーッと唸るだけ

V_REF が低すぎる：電流不足で脱調、V_REF を上げる（ただし定格内で）
配線順違い：モータの 4 線を 1A-1B-2A-2B の順で繋いでいるか。2 つのペア（1A-1B と 2A-2B）の判別はテスタの導通モードで（ペアは導通する）
STEP パルス周波数が高すぎる：低速（1000 step/s 以下）から試す

ドライバ IC が熱すぎる・煙が出た

V_REF が高すぎる：電流過多、即電源 OFF し再設定
ヒートシンク不足：追加 or ファンを向ける
ドライバの定格超過：より電流容量の大きいドライバ（TMC2209 等）に

特定のステップ数で位置がずれる（脱調）

速度が速すぎる：加減速プロファイルを入れる（AccelStepper ライブラリ）
トルク不足：V_REF を上げる、マイクロステップを粗くする、モータサイズを上げる
機械的な引っかかり：第 25 章の機械デバッグへ

モータから「キーキー」音がする

ステッピングは本質的に振動しやすい。 - マイクロステップを細かく（1/16 など）して滑らかに - 本気で静音化するなら TMC2208 / TMC2209 に変更（3D プリンタで定番）

AccelStepper ライブラリを使いたい

加減速を自動処理してくれる人気ライブラリ。

#include <AccelStepper.h>
AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, STEP_PIN, DIR_PIN);

void setup() {
  stepper.setMaxSpeed(1000);       // steps/sec
  stepper.setAcceleration(500);    // steps/sec^2
  stepper.moveTo(2000);            // 2000 step 先へ
}

void loop() {
  stepper.run();  // 非ブロッキング、毎ループ呼ぶ
}

9. Part IV のまとめ¶

電気系トピック 8 章はこれで完了です。

第 10 章 LED — 電流制限の基礎
第 11 章 スイッチ — 入力とプルアップ
第 12 章 トランジスタ／MOSFET — 大電流スイッチ
第 13 章 DC モータ — モータドライバ IC と電源分離
第 14 章 PWM — 速度制御の基礎
第 15 章 サーボモータ — 角度指令と電源容量
第 16 章 センサ入門 — アナログ／I2C／SPI とレベル変換
第 17 章 ステッピングモータ（本章）— 電流制限と高精度位置決め

これで電気系の主要部品が揃いました。これらを Part V〜VII の機械系 と組み合わせ、Part III のワークフロー で動かして、最終的に第 31 章プロジェクト A のライントレースカーで統合します。

10. 次章への橋渡し¶

電気系が一通り揃ったら、機械系の後半 に入ります。

次は Part V 機械の基礎から順に進むのが本書の想定順ですが、本書全体を通読する読者にとって、本章は 機械系の第 18 章「壊さないための機械基礎」への橋渡し にあたります。電気系で身につけた「NG → データシート根拠 → 正解」の思考法が、機械系でも同じリズムで続くのを体験してもらうフェーズです。

第 17 章 （任意）ステッピングモータ¶