Pythonのthreadingでステッピングモーターを2軸同時制御【XYテーブル自作第6回】

XYテーブル製作シリーズ第6回

はじめに：X軸とY軸を「同時に」動かして斜め移動する
ハードウェア構成とGPIOピン設定
1. GPIOピン配置
Pythonのthreadingで2軸を同時制御する
まとめと次回予告
1. 次に読む記事
よくある質問（FAQ）
XYテーブル製作シリーズ（全12回）
1. 補足記事
シリーズ記事一覧

はじめに：X軸とY軸を「同時に」動かして斜め移動する

前回まではX軸単体・Y軸単体を動かしてきました。XYテーブルとして図形を描いたり位置決めするには、XとYを同時に動かして斜め移動する必要があります。今回はPythonの threading（スレッド）で2つのモーターを同時に動作させる方法を解説します。

この記事で分かること

threading.Thread でX軸スレッド・Y軸スレッドを同時に起動する仕組み
軸ごとにピンをまとめて渡し、加減速付きで動かす run_motor()
X軸50mm・Y軸30mm を同時に動かして斜め移動を実現するフルコード
A4988ドライバー2台のGPIOピン配置と結線図

ハードウェア構成とGPIOピン設定

部品	型番
マイコン	Raspberry Pi 3 Model A+
モータードライバ ×2	A4988
モーター ×2	NEMA17
電源	12V 5A

GPIOピン配置

# X軸
X_STEP = 21   X_DIR = 20   X_EN = 16
X_MS1 = 17    X_MS2 = 27   X_MS3 = 22
X_RESET = 5   X_SLEEP = 6

# Y軸
Y_STEP = 2    Y_DIR = 26   Y_EN = 18
Y_MS1 = 23    Y_MS2 = 24   Y_MS3 = 25
Y_RESET = 12  Y_SLEEP = 13

Raspberry PiにA4988ドライバー2台を接続しX軸・Y軸のステッピングモーターを制御する結線図 — X軸・Y軸それぞれにA4988を1台ずつ

結線であると便利なもの：

Pythonのthreadingで2軸を同時制御する

Pythonの threading を使うと複数の処理を同時に動かせます。今回のプログラムではX軸スレッドとY軸スレッドを同時に起動し、tx.join() / ty.join() で両方の完了を待ちます。run_motor() には第5回の加減速（台形駆動）も組み込んでいます。

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import threading

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# -------------------------
# X軸
# -------------------------
X_STEP = 21
X_DIR  = 20
X_EN   = 16
X_MS1  = 17
X_MS2  = 27
X_MS3  = 22
X_RESET = 5
X_SLEEP = 6

# -------------------------
# Y軸
# -------------------------
Y_STEP = 2
Y_DIR  = 26
Y_EN   = 18
Y_MS1  = 23
Y_MS2  = 24
Y_MS3  = 25
Y_RESET = 12
Y_SLEEP = 13

# -------------------------
# モーション設定
# -------------------------
BELT_PITCH = 2.0
PULLEY_TEETH = 32

MM_PER_REV = BELT_PITCH * PULLEY_TEETH

FULL_STEPS = 200
MICROSTEP = 16

STEPS_PER_REV = FULL_STEPS * MICROSTEP
STEPS_PER_MM = STEPS_PER_REV / MM_PER_REV

ACC_DEC_STEPS = 100


# -------------------------
# GPIO初期化
# -------------------------
def gpio_init_axis(STEP, DIR, EN, MS1, MS2, MS3, RESET, SLEEP):

    pins = [STEP, DIR, EN, MS1, MS2, MS3, RESET, SLEEP]

    for p in pins:
        GPIO.setup(p, GPIO.OUT)

    GPIO.output(RESET, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(SLEEP, GPIO.HIGH)

    GPIO.output(MS1, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(MS2, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(MS3, GPIO.HIGH)

    GPIO.output(EN, GPIO.LOW)


# -------------------------
# 加減速計算
# -------------------------
def get_intervals(total_steps, acc_steps, total_time):

    const_steps = max(total_steps - acc_steps*2, 1)

    total_ratio = acc_steps*0.5 + const_steps + acc_steps*0.5

    base_interval = total_time / total_ratio / 2

    intervals = []

    for i in range(acc_steps):
        intervals.append(base_interval*(acc_steps-i)/acc_steps)

    for i in range(const_steps):
        intervals.append(base_interval)

    for i in range(acc_steps):
        intervals.append(base_interval*(i+1)/acc_steps)

    return intervals


# -------------------------
# モーター制御
# -------------------------
def run_motor(axis_name,
              STEP, DIR, EN,
              MS1, MS2, MS3,
              RESET, SLEEP,
              distance_mm, cycles):

    print(axis_name,"開始")

    gpio_init_axis(STEP,DIR,EN,MS1,MS2,MS3,RESET,SLEEP)

    steps = int(distance_mm * STEPS_PER_MM)

    intervals = get_intervals(steps, ACC_DEC_STEPS, 1.5)    # 1.5秒で加減速込みの移動を完了させる

    for c in range(cycles):

        # 正転
        if axis_name == "X軸":
            GPIO.output(DIR,GPIO.LOW)
        else:
            GPIO.output(DIR,GPIO.HIGH)

        for t in intervals:

            GPIO.output(STEP,GPIO.HIGH)
            time.sleep(t)

            GPIO.output(STEP,GPIO.LOW)
            time.sleep(t)

        # 逆転
        if axis_name == "X軸":
            GPIO.output(DIR,GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(DIR,GPIO.LOW)

        for t in intervals:

            GPIO.output(STEP,GPIO.HIGH)
            time.sleep(t)

            GPIO.output(STEP,GPIO.LOW)
            time.sleep(t)

    GPIO.output(EN,GPIO.HIGH)

    print(axis_name,"終了")


# -------------------------
# XY同時スタート
# -------------------------
def start_both():

    x_dist = 60 # 移動距離(mm)
    x_cycle = 1 # 移動回数

    y_dist = 30 # 移動距離(mm)#
    y_cycle = 2 # 移動回数

    tx = threading.Thread(
        target=run_motor,
        args=("X軸",
              X_STEP, X_DIR, X_EN,
              X_MS1, X_MS2, X_MS3,
              X_RESET, X_SLEEP,
              x_dist, x_cycle)
    )

    ty = threading.Thread(
        target=run_motor,
        args=("Y軸",
              Y_STEP, Y_DIR, Y_EN,
              Y_MS1, Y_MS2, Y_MS3,
              Y_RESET, Y_SLEEP,
              y_dist, y_cycle)
    )

    tx.start()
    ty.start()

    tx.join()
    ty.join()


# -------------------------
# 実行
# -------------------------
try:

    start_both()

finally:

    GPIO.cleanup()