バーニングな日々

2年かかりました

都合により記事を削除しました。

公開中止

ちょっと理由があってオーディオ関連の資料を全部削除しました。
今まで楽しみに見て頂いた方には大変申し訳ありません。
理由などもお答え出来ませんので質問等はご遠慮願います。

電流サーボもできたぞ！

前回に電流サーボを回路からソフトで実装する事にして回路をシンプルにしたと書きましたが、早速ソフトでサーボを組んでみました。が、全然ダメ。定常状態で安定しているときは良いのですが電流が変化してるとグワングワン電流値が変動してます。オシロで電流波形を見てみると電流検出抵抗の根元付近では安定してますが、マイコンの端子のところではグワングワンしてます。むむむ。

良く考えると交流的に直結している電流検出抵抗やオペアンプ付近は良いのですが、GNDがゆすられていることに違いは無く、モーターとオペアンプ間が直結されてしまったため、今度はマイコン側とオペアンプ側の間でGNDがゆすられるようになっただけということでした。ダメだこりゃ。

で、色々考えましたが、今までただの非反転増幅だったオペアンプを差動増幅に変更してみました。動作原理を良く理解していなかったので使うのを避けていたのですが、そうも言ってられないので勉強し直してみたのですが、そんなに難しくないのですね。単なる食わず嫌いでした。まずは一番簡単なオペアンプ1個タイプでチャレンジ。むむ？抵抗値のばらつきで増幅度が変わってますがGND変動の影響も無くいい感じ。最初からこうしておけば良かった。

おっ？プラス側の端子にGNDでなく1/2Vccを入れるとマイナス電流も測れるのでは？っていうかよく考えるとマイナスまで測れないとちゃんとサーボが組めないジャン。今までのはいったい。。。早速1/2Vccを入れてみよう。。。あっさり動いてるし。しかも入力範囲がマイナスまで増えて非常にいい感じ。なんというかこの方法じゃないとダメだったような。。。

というわけで電流計測はバッチリ！当然ながら電流サーボもバッチリに！って、あら？回転方向でなんとなく動きが違うような。。。モーターの端子を入れ替えてみると今後は逆の特性に。ということはモーターは関係ないということか。回路で回転方向で違うのはコイルを片側だけに追加しているので電圧のかかり方が全然違います。ただ電流は同じのはずなんだけどな。まぁ両方に追加してみれば分かること。。。って治っちゃったよ。回転方向関係なく同じ動きになった。ということは電流サーボ完成！？やったぁ！！

やっぱコイルは両方に入れないとダメのようです。今までは4.7μHのコイル1個 使う予定でしたが、これを2.2uH 2個に変更した方が良さそうです。4.7uHは7.6x7.6x3.55mm=205mm^3のコイルを使うつもりでしたが、2.2uHだとどうなるか、Digikeyで検索だ！おっ！安いのあるジャン。しかも小さいぞ5x5x2mm=50mm^3だ！2個使っても圧倒的にこっちの方が小さい=軽い！なんだ最初から2個使いの方が良かったのか。

しかしよく考えると私は技術的にかなりのジャンプアップをしようとしているようですね。予想外の問題が色々出て大変ですが大分先が見えてきたような気がします。今度こそ理想の俺サーボを！

つ、ついに完成だ！

いかん。気がついたら前回の更新から4ヶ月近く経ってますね。皆さんいかがお過ごしでしょうか。私は仕事の方が猛烈に忙しくなってしまって殆ど作業できてませんでした。仕事の方はうちの会社には珍しく本格的なメカ制御ものを担当できたのもあってかなり楽しんでしまってます。いややっぱメカ制御は私に合ってますね。こっちの方に本格的に進みたくなってきた今日この頃であります。ただメカ制御ものは技術者が少ないみたいですね。今回の仕事はかなり複雑な制御対象だったのですがチームの中では私が一番経験がある(といってもROBO-ONEとか趣味の経験しかないけど)ので電気回路も制御ソフトも引き継いでから殆ど作り直しちゃいました。モータはもちろんオリジナルのサーボ制御です。お陰で手広く色んな所に手を出して自分の思うように作れたのは楽しかったです。ただ、お陰で時間が無くて大変苦労と大分妥協をしましたが、それでもかなり良い動きをするようになりました。

とまあ仕事が忙しくしてなかなか趣味の方に時間が取れなかったのですが、それでも時々思い出したようにコツコツやったり通勤中に色々な回路を検討したり、仕事中に(中略)したりしてなんと念願のモータードライバが遂に完成してしまいました！いや～嬉しい！もう半分あきらめかけてたのですが自分でも驚くぐらい突然閃いて全ての問題が綺麗に解決しちゃいました！やっぱ手を動かさないとダメなんですね。


前回からの変更点で大きいのはON-BREAKのスイッチングで正負の交流電流が流れるうえに、コアレスモーターのインダクタンスが小さすぎてスグ飽和してしまうもんでヒステリシス損バリバリで発熱ガンガンになっちゃったので仕方なく追加で100μH必要だったコイルを、なんと1/20の4.7μHで済むように工夫したこと。100μHで数アンペア流せるコイルって馬鹿でかくて買っては見たものの使う気にならないっていうか、でかくて基板にのらないぜ！って感じだったのですが、スイッチングレギュレータの原理を応用して小さいコイルでもコンデンサを組み合わせることで綺麗にモーターに電流を流し込むように工夫してみました。SPICEっていうシミュレータがあるんですがそいつをフル活用したおかげで回路はバッチリ！モーターの変な発熱は全然なくなりました。4.7μHのコイルなら結構小さいし、4000番台のケースなら余裕で基板に乗りますね。ちなみに駆動周波数は156KHzです。

次に大きいのはFETドライバの変更ですね。今回はFETのゲート耐圧を超える20Vオーバーの電源電圧を検討しているので通常のFETドライバではなくチャージポンプ型を使おうと思っているのですが、前回使ったISL6614は何故かスグに壊れてしまって使い物にならなかったのでアナデバのADP3419に変更してみました。これがなかなか快調でまだ一個も壊してません。ISL6614より大分小さいのも良いですね。ただゲート電源は5Vまでと下がっちゃいましたが、12Vレギュレータを1個省略出来たと思って納得することにします。

そして最後のポイントが電流検出です。前回オペアンプを使って増幅してみましたがモーター側のGNDがスイッチングのたびにかなりゆすられていてオペアンプ側のGNDとの間に電位差が生じてかなりの変換誤差が生じてました。対策としては、まぁGND同士が繋がってないから電位差が生じているということでGND同士を「交流的」に直結しました。詳しい方なら何をやったかすぐ分かると思いますがもう何というか効果絶大！パワー回路のくせにアナログ回路か？と思うくらい綺麗なGNDになっちゃいました。恐ろしいことに平均化することなくA/D10bit全て使えるくらい高精度な電流計測が出来ちゃってます！

ということでやっと念願のモータードライバ＆電流計測回路が完成しました。電流制御はソフトでやることにしたんでフィードバック回路はばっさり削除しました。お陰で回路自体もかなりシンプルになったと思います。とまぁこう書くと結構簡単に出来たような気がしてきますが、その裏では失敗基板の山がうず高く積みあがっていたりなんかします。

とにかく念願の回路が完成したので後はソフトの制御ですね！あんな制御やこんな制御など数年前からやってみたかった事がやっと試せるようになりました。

センサー基板の動作確認

部品を実装したセンサー基板のうち、加速度センサーとジャイロと電子コンパスの動作確認が完了しました。

3軸 加速度センサーは出力に0.1uFのコンデンサーをつけて50Hzでローパス。そのまま出力とオペアンプでのボルテージフォロア出力をADして比較したところ有意なノイズ等の差が無かったため全部ボルテージフォロアなしで組む事にしました。このセンサーはノイズも少なく変な振動もないし安定して使えそうです。

2軸 電子コンパスが一番心配していたのですが、意外と方角は正しく取れるみたいでした。ただ、セットとリセットを繰り返して使うのですが、オペアンプの増幅度が100倍になっており結構応答速度が遅いので、セットにして暫く待ってからADする工夫が必要そうです。それと方角を知るだけならもっと増幅度が高くても良さそう。あとオペアンプは差動増幅として使っているのですが、単品高精度抵抗でもバラつきが気になります。4連の抵抗アレイを検討した方が良いかも。リファレンスの差動増幅用の1/2VCCはオペアンプで作っているのですが、ジャイロのVref出力も1/2VCCなのでこれを利用するとオペアンプ1個削減できますね。あとFETのゲートドライブをマイコンが直接やってるのですが負荷がかなり重めの様子。トランジスタで駆動するように変えた方が良さそうです。

ジャイロが一番苦労しましたが、無事動作確認できました。1個目は半田付け不良で動作がかなりおかしな事になってました。結構なお値段の部品なので半田付け不良なんかでダメにしちゃうとショックが大きいですね。で、対策として端子に予め予備半田を持っておき、基板に載せてパッドに半田を流し込みながら予備半田ごとくっつける方法で何とか上手く行きました。上から軽く押さえつけながら半田付けするのがポイントかな。ともあれジャイロの値、内臓温度センサーの値、追加の2ch ADコンバーターの値ともちゃんと読めました。ただ、アナログ電源の引き回しがイマイチでちょっとノイジーです。外付けフィルターで600度/sec相当のレンジまで拡大と50Hzまでの帯域制限も試してみましたがちゃんと効いているようです。ただ、帯域制限はノイズが対して減るわけでもないので無い方が良いかも。このセンサーも結構安定して使える印象です。ただ温度ドリフトキャンセル処理を別途考えないとなぁ。

と言うわけで主要なセンサーの動作確認が無事出来てちょっと一安心です。やっと進んだ感が出てきました。本番ではジャイロx3 ＋ 3軸加速度センサー ＋ 2軸電子コンパスを全部まとめて思いっきり小さい基板にまとめてみようと思ってます。

次は何をやろうかな。モータードライバの部品は既に到着済みですからこれはいつでも出来ます。他には反射センサーと感圧センサーは部品実装済みなのでこちらもスグ出来る体制です。RS485はホストが無いのでまだ無理かな。しかし15枚あった基板ももうスグ全部動作確認が完了かぁ～(しみじみ)