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ブラシレスドライバの回路設計開始

今日は回路.
ブラシレスの駆動回路を考え始める.いつもならすぐさまハンダごてを握るところをグッと我慢して,まずは回路図作成から.いつも見切り発車して基板がある程度できてから,マイコンのピン割り当てやら,調達部品の種類が二転三転するのを防止する.
マイコンはdsPIC33FJ12[MC]202を使用.([MC]は[MotorContorl]のこと?)このICには28pinのSSOPパッケージ(1/4ピッチ)があり,実装面積がかなり小さくできる.
ドライブ部はMotionReactorの構成をそのまま利用.ゲートドライバが大容量なのでFETを低ONの小型パッケージのものにして実装面積を減らす狙い.今回のブラシレスはMAXで10A程度なので計算上はFETを放熱不要にできる.相補PWMでリニア駆動(4現象制御)とし,デッドタイムは500nsec固定.
DCで悩まされたノイズ関係が未知なのだが,軽減してくれることを願っている.さもなければまたゴテゴテとEMI部品を追加しなければならなくなる・・・

回路図っぽいもの(まだ動作させてませんので火を噴きましても補償いたしかねます)


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いろいろ買い物

今週末はいろいろ部品を注文する.
駆動系,エンコーダ
MAXONのEC16-15Wはモータ単体で18700円,ギアヘッドが5300円.合計で24000円.
うん,高い!そして納期は3ヶ月!壊したら3ヶ月もかかるので多めに頼みたいが価格が高いので,もし使わなかったらムダになるし・・・といういつもの葛藤.
エンコーダはRSオンラインでコパル電子のφ12 300PPRは一個8000円.

シャーシはカーボンとアルミアングルといういつもの定番.ただし,今回は信頼性がテーマなので部品数(特にねじの数)を減らしてできるだけ一体化していく方針にしたい.

車輪と駆動歯車を一体にした部品 必達試作人アスクさんで 1個 12000円.納期は3~4日.納期より早く上げていただいててもう届いている.

歯車はM0.5で40歯,材質A2017.
やっぱりプロの仕事は違うなぁ・・・早く組み上げて回してみたい.

回路系の部品はDigi-key.
ブラシレスの専用ドライバICなんかも売っているけど,性能はどうなんだろうか?
APEX社のやつは5000円以上するので明らかにディスクリートの方が安い.(FETもN-Pタイプのようだし・・)
とりあえず,今手持ちのゲートドライバとFETででっち上げることにしよう.

外装はt=0.5のPC,PP板のバキュームフォームを考えている.掃除機で吸うための台を組まないと.このあたりの材料はホームセンターで買ってこようと思う.

外装デザイン






今日は外装デザイン.
インターネットの画像検索でいろんなキーワードを打ち込みピンと来るイラストなどを探し,いろいろいじっているうちにクジラをイメージしたものになった.
100mm四方のキューブ型から少し高さを削って後方に突起を作り,URGのレーザ射出口を口に見立てる作戦.大きなしっぽでボールや缶をかき集めるのはどうだろうか.
ぱっと見,悪くはないが良くもないっていう感じ.
今回,小型のスピード重視のマシンにしたいのでクジラはイメージが合わない気もする.
「信頼性」のコンセプトには頼もしいイメージのあるクジラでもイイかも・・・

この作業は楽しい.もう何案か検討していきたい.

車輪の追加工 うまくいかず


今日はMini-Zのホイールに歯車とベアリングをくっつける.意外にすっぽりとはまった.
これはいけるのではと思って,さっそくドリルのシャフトに差し込んで手で回してみる.
しかし車輪も歯車もブレブレ・・・軸受けも渋くてすぐに止まる.うーむ・・・これはダメだ.
もともとMini-Zのホイールがラジコン用だからあまり精度が出てないか,あるいはネジで締めたときにPOMのギヤが変形してしまったのだろう.
こうなったら車輪を旋盤で自作するしかないか・・・

部品レイアウト


今日は3D-CAD.
メイン基板やOLEDディスプレイ,Bluetooth基板等をレイアウトしてみる.Li-Poは小型の2セルを2直列にして14.8Vを作る方針で行く.12V以上あれば駆動回路は楽になりそうだ.
対象物の取り込みはまだ未定だが,ネズミやリスを模したようなかわいい小動物の格好に仕上げたい.缶やボールを腕でつかむか,しっぽで巻きとるか・・・

いずれにしても,去年の反省を生かして全体のデザインをちゃんと決めてからレイアウトを詰めていきたい.

参考書読みあさる

 ****お知らせ****
 私の書いた記事が載ったDesign Wave MAGAZINEが発売になりました.CQ出版の技術系雑誌で,私はフリーソフトを使ったモータドライブユニットの設計例を書いてます.LSIや回路設計者向けの難しい雑誌ですが今月号はいくらか読みやすいです.このブログをご覧のテクニシャンの方々,ぜひ買ってください!


さて,今日は読書の日に決めて「自動車工学」や「トライボロジー」の本を読みあさる.ゴムタイヤの転がり摩擦の話とか,奥が深くて興味深い.以下トピックの備忘録.
・自動車のタイヤと路面の摩擦係数0.2~0.9 乾いたアスファルトでは0.7~0.8程度.転がり抵抗係数0.015程度.
・転がり抵抗は車輪半径に反比例する.→車輪が小さいほど抵抗大.
・動き初めの加速時,タイヤが30%程度滑ったぐらいで摩擦定数が最大になる.その後,動き出すと動摩擦になり摩擦力は下がる.車輪は推進力に比例してわずかに滑りながら進む.μ高くてもわずかには滑る.
・タイヤの摩耗量はスリップ率の4乗に比例して増大.
.摩耗によるμ低下に対してタイヤの縦溝は有効.横溝については平坦でドライな路面ではあまり効果ない(?)

次はトラ技を読みあさってブラシレスの駆動回路を作成開始したい.

台車のレイアウト検討

今週末は知ロボ用台車の検討を進める.現状は部品のレイアウトなどをCADで検証しているところ.


 モータはDCだとどんなに煮詰めてもあめーば3rdを大きく上回る性能が出なさそうということで,今回ブラシレスDCを検討している.候補はMAXONのφ16-15W品でドライブ回路は自作する予定.
車輪はマイクロマウスの方々が使われている京商MINI-Zレーサー用の小径タイヤを改造して使うことにした.φ25,幅8.5mmと小さく,タイヤゴムの材質も何種類か出回っているので路面に合わせていろいろ試すことができそうだ.タイヤ径が小さいと同じ速度を出すときの減速比も小さくてよい.今回はギヤレシオ8.8:1でモータ軸は30000rpm以上回す設定.
オドメトリ用のロータリーエンコーダはコパル電子のφ12品でモータとは別にしてローラで地面に押しつける方式.このあたりは加速度勝負のマイコンカーをやられている方々の製作例を参考にさせてもらった.急加速で駆動輪がスリップしても積分誤差が出にくいため,オドメトリの精度が上がる期待が持てる.
ロボットの体積の大部分を占めるURGの配置は照射角を最大限にいかせるように一番前に配置し,駆動系は照射範囲の外,後ろ側に配置する.このような後輪駆動機では旋回性能は悪くなるが,直進時の加速には有利なはずだ.そして車輪ものの基本として重心は低く,自重は軽くを念頭に置いて進めている.
あと,問題なのは回路だ.回路が複雑になりそうなブラシレス・・・たぶん低圧ではゲートドライバが動かないので,Li-Po3セル以上は必要と思われる.バッテリーが大きくなるなぁ...

加速性能検討中

今日は引き続き足回りの設計を進める.
入力トルクに対する加速性能を見積もるために,プログラムでロボットの挙動を簡易的にシミュレートしてみることにした.
VCで数値解析のプログラムを作り,モータ最大出力で直進させた場合の速度の立ち上がり具合をあめーば3rdの実測値と比較する.シミュレーションに入れたのはとりあえずロボット全体の慣性とモータのT-N特性だけ.

なぜか実測の方が加速が悪い.摩擦ロスなどを考慮していないためだろうか?(補助輪がわりの家具すべ~るでロスってる?)
うーん,これではあまり当てにならないなぁ・・・

新しい車輪検討開始

今日は新しい台車をどうするか考える.
今回の台車は知ロボに向けて「高信頼+高速・大容量」というコンセプトを実現するのが目標.
大きさは100mm四方,1kg以下ぐらいの手乗りサイズにまとめたい.そこでまずは参考にあめーば3rdの足回りの速度,加速度を実測してみた.
1500mmの距離を最大加速(=Dutyu_MAX)で走行させたときの速度と加速度を実測すると以下のようになった.


あめーば3rdの仕様:
自重    1350g
モータ MAXON RE-MAX17(4.5W) 4.8V 3.17A(停動) 減速比 19.2:1
車輪トルク 2.32kgf*cm
車輪直径  52.7mm
2輪による最大トルク発生時の加速度理論値=1.7G 16600mm/sec^2

実測結果より,
最大速度 1500mm/sec
最大加速度 4000mm/sec^2
1500mm走行する所要時間 1.6sec


今度の新しい台車ではこれの2倍ぐらいの速度を目指したい.
目標スペック:
自重1000g以下
最大速度 2500mm/sec
1500mm走行する所要時間 1.0sec以下

車輪型のロボットでは,とにかく強力なモータを積めば速くなるかというと,そうでもない.
車輪のスリップ限界を超えて加速はできないし(最大加速度Amax<車輪の摩擦定数μ×g(9.8m/sec^2)),車体の浮き上がりによるトラクションのロスも考えないといけない(重心高さH<車体の前後長さL でないとAmax加速時にウィリーしてひっくり返る).
一番バランスの良い重量,トルク,速度配分にできるようじっくり検討していきたい.

URG+OLED

今日はURGの距離データをOLEDに表示させるプログラムを作る.
ダイレクトではなく,あいだにSH2Aを介して処理する.表示速度はまぁまぁ.通信20~30msec,描画60~70msec程度で1deg刻みであればURGのフルスピードでも表示可能.


早くこのレーザセンサを搭載した実機の動きを見たいものだ.
足回りと全体構成の設計に取りかかりたい.

uOLEDモジュールに画像を出す



今日は新年一発目の作業として華やかな気分にするべく,引き続きOLEDディスプレイをいじる.
このモジュールはQVGA(320×240)までの画像が出せるので,さっそくBMPやAVI等を出せるようにライブラリをいじる.英語の解説に少々とまどったがなんとか表示させるところまでできた.
上記の動画だとすごく汚いが,実際目で見るととてもきれいである.普段小型の液晶ディスプレイはあちこちで見るが,それとは全く違った鮮烈で浮き上がるような画像なのだ.

 画像が出るまでにかなりの紆余曲折があったので,ここにbmpやmpgをどうやって表示させるかメモっておく.
1.bmpやjpg,aviやmpeg等のデータを[GraphicsComposer]というソフトで加工してuSDに保存する.保存形式はFATの場合は**.dat(各イメージデータのアドレス等が書いてある)と**.gci(実データのファイル)の2種類.ただし,FATファイルの場合は本体のメモリの都合上100×100pixel程度までしか扱えない(あくまでアイコン用)!それ以上(QVGA)を表示させたいときには直接uSDにデータを書き込む方式が必要(ファイルとしては見えない).

2.QVGAを表示させたいとき,[GraphicsComposer]の設定は[Device->Load Option]を[\:I]のようにuSDが刺さっているドライブ名に設定.[ImageFormat]は[Image&Pixel Data(V2)]を選択.ファイルサイズは240×320にする.(320×240としないこと!縦横逆になる)

3.[Load Device]ボタンを押すとuSDにデータが書き込まれ(Windowsからは見えない),**.txtファイルが生成される.このTXTファイルに書き込まれたデータのアドレスがbyte単位で書かれている(Location=0x******)このアドレスをプログラム中から参照することでuSDの中身が読み出せる.

4.uSDの画像ファイル,動画ファイルはuSD_SetSector()+uSD_Image() or uSD_Video()で再生可能.uSD_SetSectorに渡す番地は512byte区切りのセクタ単位なので注意!先ほどのtxtファイルに書かれている番地はbyte単位なのでこれを512で割る必要がある.
Ex.Location = 0x200000(2097152) のとき,0x200000÷512=0x1000なので
uSD_SetSector(0x0000, 0x1000); のように入力する.

これでデジカメや携帯の動画などを自由に再生できる.縦横が逆になる(デフォルトでは縦使用モードになっている)ため,必要に応じて元画像データを90deg右回転させる必要がある.静止画のほうは適当なレタッチソフトでやるとして,動画の回転はこのフリーソフトを使うと簡単である.
次はもっと実用的なURGの簡易モニタなどに応用していきたい.
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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