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フォトインタラプタ基板


MR2基板が届くまでの間,マザーボード基板とフォトインタラプタ基板を完成させておきたい.
今日はフォトインタラプタの動作チェック.反射型は手に入りやすいが,透過型が意外に売っていなくて探すのにとても苦労した.若松でSHARP製のGP1A04が在庫ありだったのでこれを使うことにする.このタイプは内部に定電圧回路とアンプ,シュミット入力を内蔵したTTL出力で使いやすい.インジケータ用LEDのためTrを一個使ってしまったが,これがなければ外付け回路は全くいらないぐらいである.(配線長によっては電源のパスコン必要.)

来週はCPUのマザーボード基板の作成に取り掛かる.

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モータドライバの技術メモ

基板の発注が完了した.基板の色は青にした.夏らしく涼しげな仕上がりに期待したい.
基板は格安1Wコースなので来週まで上がってこない.
さて,ここで忘れないようにこれまでに試した技術的な内容をメモしておこうと思う.

ノイズ対策:
GNDのアイソレート
蛇の目基板で試作.FETゲートドライバへのPWM出力,電流検出ICのPWM入力ラインに高速型のフォトカプラ(HCPL7611,HCPL2430)を入れてみた.効果はイマイチ.アイソレートしたGNDにもノイズが回り込む.原因はノイズの空中伝播か.FETドライバは1次側ブートストラップ電源のためGND絶縁不可.GND共通にしてインピーダンスを下げるほうがまだ良い場合があったためフォトカプラは使用しない.パワー側,ロジック側共通GNDとし,べたGNDにしてできるだけインピーダンスを下げる.
15V電源のDC-DCコンバータはノイズ耐性が低く使えなかった.効率は落ちるがリニア(3端子)を使うしかない.ゲート駆動は瞬間的には1~2A程度が流れるが,平均値(テスタ測定値)としてはもっと低く150mA程度であるため問題ない.

FETスイッチングノイズ対策
FETブリッジ内にCRのスナバ回路を入れてみた.50kHz切り替え時のゲート波形で比較.スパイクノイズの軽減を行うためには大きな電流をスナバに流す必要があり,Rを20~100Ω程度とする必要がある.ノイズはやや減少するが,Rの発熱が大であるため使用に耐えない.低インピーダンス大電流ラインで発生するノイズは同じく低インピーダンスのフィルタでないと除去できない.FET保護の為のバリスタ,ツェナーDは効果が確認できず(入れていてもFETが焼けた).応答が遅くブレイクダウンする前にFETが壊れるのではないか.とにかく,今回は使用しない.→24V電源でのFETの耐圧を50V→100Vに変更しマージンを確保.(実測スパイクの頂点で45V程度)
元電源に入れる大容量Cは効果あり.220u~680uまでテスト.大きければ大きいほど効果がある.ただし,電源接続時の接触部でスパークが発生する.→MR2では220u50Vリード電解使用.スパーク対策として小型リレーでSWを2段階にする.
元電源へのフェライトコア挿入は特に効果が大きい.放射ノイズが大きく軽減され通信ラインが安定する.→MR2でSteward社超大電流コモンモードチョークを電子ヒューズの直後に入れる.
dsPICのPWM波形をエッジアラインからセンターアラインに変更.入力PWMの立ち上がりエッジをずらす.PWM立ち上がり時の電流が集中しないためノイズ軽減効果がある.

ロジック信号,通信ラインのノイズ対策
モータが激しく正逆する場合などにノイズが発生し,ロジックGNDが激しく揺れる.マイコンの誤作動,通信データの化けなどが頻発する.少し離れたGNDライン間をオシロプローブで触ると等電位になっていない.
通信の差動化は有効.SPI通信,2相エンコーダラインを差動にした.差動前の部分はできる限り短い配線+FB挿入.差動ラインは高速になるとスキューが問題になる.(ノイズごとスキューした波形は差を取ってもダメ).高速タイプのICとツイストペア線を使用する.(基板内では等長配線を意識する.)
反射防止のために差動ラインに並列に入れる終端抵抗100~200Ωはエッジのオーバーシュートに対してダンピング効果がある.多CH接続した場合の電流の確保の意味もある?
dsPIC,各ICの近傍に入れるCは0.1uでは不足する場合があった.(リセットがかかる).3216サイズ4.7u(秋月)に換えると改善.MR2ではこれを採用.
ノイズの侵入はプルアップしたI/O入力にも影響する.プルアップしたSW入力等をポーリングで読む際,数回のサンプリングでANDを取るなどの工夫が必要.(ONの回数をカウントする場合などはノイズの周波数を考える必要があり非常に厄介).

安全対策:
ハードウェアとしてFETの瞬断ヒューズをつけた.過電流(100A断)でブリッジのFETが壊れる前に元栓を閉じる.電流のMAXはモータの起動時,逆転時であり,ヒューズがないと瞬間的な大電流でFETが壊れる(停動の2~3倍は行く).FETは壊れると短絡するためバッテリー側にも対策が必要である.(現状はアルミケースで覆う程度).ヒューズが切れたあとは電源再投入するまで切れたまま保持され,ヒューズが飛んだことをマイコンで感知してPWMも止める(復帰不能エラー).また,ヒューズを外付けのSWで手動で切ることもできる→多CHをOR接続して緊急停止ボタン.ソフトが暴走してもハード的に切ることができる.
ハードウェアのモータ駆動リミット→稼動限界端にフォトインタラプタを付け,反応があったらモータをブレーキ停止させる.センサの外側にゴムを貼り付けた頑丈な筐体を設置しブレーキが効かなかった場合メカ的に停止させる.dsPICでは各軸ごとに電流,位置にスレッシュを持っていてモータロックの判定でPWMDutyを低下,停止させる.ソフトの暴走はウォッチドッグで監視.
非接触可動範囲センサ→弾性衝突によるメカ的な停止→ソフトによるロック検出→ソフトの暴走監視の4段階.ロック以外にもモータドライバ上のソフトでは速度,加速度も監視し異常な値がきたときはコマンドを受け付けない(一定値以上の急加速,急制動指令はありえない=人為的ミスorノイズという判断.できるだけ下流で安全側に倒す).
FET温度,モータ温度をLM35で監視.電流と熱伝導を計算してブラシが焼けないようにする(未実装).(RE40ではブラシの支持部分のプラスティックが溶融して壊れる)

パターン完成


モータドライブ基板のパターン設計がようやく完了した.
細かい修正や確認作業に手間取ってしまった.PCBはやり直しがきかないので,面倒でもチェックを何重にもやったほうがいい(・・とトラ技に書いてあった).

今回は配線の合間をGNDべたで埋めることにした.また,配線長,ビアの配置,配線の曲がりなどもできる限り信号の特性に合わせて最適化した.フェライトビーズなどの部品とあわせて,ノイズレベルが大きく下がってくれることを期待するばかりだ.ノイズ対策なら4層基板という手もあるが,前回の基板のパターンを使いまわしできないし,価格が両面の1.5倍に跳ね上がることからやめた.

さっそく発注画面でポチポチとボタンを押す.銅箔厚75uのオプションは前回同様MUSTである.レジスト色は何にしようか・・悩み始める.

P板.comでは緑以外に赤,青,黄,白,黒がある.白レジストは前回試してみたがかなり良い感じだった.白レジ基板は実に潔い感じの基板になった.しかし,また同じではつまらない.バーニング宮田さんの赤レジにしてみようか・・しかし,本当にFETが燃える気が・・燃えるのと反対のイメージで青にしようか・・・青ならクールな感じに仕上がるかもしれない.それとも黄色レジストに黒シルクでトラマークみたいなのはどうか・・・「触ると危険です!」って感じでいいかもしれない・・・

結局決まらなかった.もう少し悩んでから注文を出そうと思う.

まだまだパターン作成

今日もパターン作成の続き.一進一退の攻防が続く.

画面の白い線はラッツネットといって未配線の部品と部品の端子を最短距離で結んだもの.基本的にこれをつないでいけば全回路が完成する.しかし,あまり当てにしてはいけない.これはあくまでたまたま近くにある端子間の最短距離を示しているだけだからだ.部品間の信号の流れや電源ラインなどに気を配り,1個1個回路図を見ながら配線の太さ,長さを考慮し取り回していかなければならない.とても根気のいる作業である.

パターン作成

今日もアートワーク作成作業.
「アート」と名前がつくだけあって,非常に奥が深い.より美しい配線がまだまだ隠れている気がして,一度やり始めると止まらない中毒性もある.今日も気づくとだいぶ遅い時間になってしまった.
作業が次の日に影響しないように,1時には寝るようにしたい.

回路パターン作成開始


今週末はPCBのパターン作成.
前回の実装密度がそこそこ高かったために,修正にすごく手間がかかる.一ヶ所の配線を直すと全体が成り立たなくなるケースがたくさんあって,いっそゼロからやり直そうかと思うほどだ.

CARUS_Xの使い方には慣れてきたが,まだまだ3D-CADのようにサクサクとはインプットができない.入力のルールとか,コツ,手順みたいなものを自分なりにメモッておくことにした.次に操作するときに思い出すためと,メモを更新して少しでも楽な手順で目的の操作を達成できるようにしていきたい.

計画のお盆前にMR2の基板上がりはほぼ不可能な状況になってしまった.変更量が思ったよりも大きく,対応に時間がかかってしまった.お盆はほぼ作業ができない前提で,せめて基板パターンだけは完成させておきたい.

回路図完成

今日は昨日に引き続きモータドライバの回路図作成.
今回はEMI対策部品として,信号ラインにチップフェライトビーズ,モータ電源ラインに大電流フェライトビーズ,ロジック電源ラインに3端子コンデンサを使う.これらが有効に働いて,ノイズレベルが下がってくれることを期待したい.


回路図作成の続き


今日はあまり時間が取れないが,少しずつ作業を進める.インジケータLEDの制限抵抗を決める.どのぐらいの電流を入れるかは実際に光らせて目視で決める.暗過ぎず,まぶし過ぎず.
プロフィール

もやね

Author:もやね
長野県在住の会社員(メカニカル・エンジニア).
ロボットは完全な趣味としてやってます.
E-mail:
mo_ya_ne[a]yahoo.co.jp
[a]⇒@

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