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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)

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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.
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