DCサーボの位置決め制御！

こんにちは、KKTです。
今日はもう10月ですが、なかたくんも間に合わせ記事＋αを書いてくれて素晴らしいことだと思います。組紐がきれいに編めててすごいと思いました。僕も結びを大切にしようと思います。

今日は題名の通りDCサーボの位置決め制御についてです。
DCサーボと言っても色々ありますが今回はRCサーボを使っていこうと思います。RCサーボは入力されたパルス幅に応じた回転角になるように制御されていますが、サーボに内蔵されている回路はどんな回路なのでしょうか。今回は制御のお勉強ということで、可変抵抗を使ってサーボの回転角を制御するという回路を作ろうと思います。

入力に対して何らかの出力をする場合は、入力（指定値）と出力が完全に1:1で対応してたら都合が良いのですが、実際はそうでもありません。
例えば、電源装置であれば指定した電圧を出力する時でも内部抵抗等が原因で負荷によって出力電圧が変わってしまいます。そこで、出力から入力にフィードバックをかけて、クローズドループにしてやると出力の精度や安定性は飛躍的に向上します。
フィードバックを自分の出力から貰って、それをどんなふうに出力に反映させるかはいくつかの方法があります。単純に、指定した値より大きければ出力をOFF、小さければONにするON/OFF制御と呼ばれるものや、もっと高度なPID制御と呼ばれるものもあります。
　　　
今回は比例制御と呼ばれるものを見ていきたいと思います。比例制御については回路説明のところで少しお話します。

取り敢えずRCサーボを分解します。

 

RCサーボは出力軸の回転角をフィードバックするために可変抵抗を内蔵しています。便利なのでそのまま流用します。ついでにモータの線も付けておきます。

続いて、こんな回路を組みます。

 

比例制御の基本的な流れとしては、

指定値と現在値の差を求める

↓

差を必要に応じて増幅

↓

出力に反映

という感じだと思います（適当）。ON/OFF制御よりONとOFFの間が細かいのでより精密に制御することができます。指定値と現在値の差を求めて制御しているので、指定値と現在値が大きく離れている時は出力も大幅に動かし、差が小さい時は出力も少なく変化させるので滑らかに制御できるのがわかると思います。しかし、指定値と現在値がかなり近くなると差もかなり小さくなるので出力の変化も小さくなって、時間がかかる=有限時間内での精度はあまり高くないということになってしまいます。そこで差を増幅することで実際の指定値と現在値がごく近い時でも出力を変化させ、精度を上げることができます。すごい！

回路的には、まず初段のOPアンプでは差動増幅器を構成していて、文字通り指定値と現在値の差を求めます。それを次段で非反転増幅します。ゲインは可変できるようにしてあります。ゲインを変えるとサーボの応答が大きく異なるので非常に面白いです。増幅後はトランジスタのプッシュプルに通して電流増幅します。±電源を使っているのでトランジスタ2個で正転逆転できるようになっています。トランジスタが飽和しない時も多いので放熱には注意しましょう。

これで±5Vくらいの電源をつなぐと、可変抵抗の動きに合わせてサーボの軸が回ると思います。なかなかおもしろいです。こんな感じに実装しました。

次に、指定値に対してサーボがどのように応答しているか見てみましょう。現在値ボリュームと指定値ボリュームにオシロを繋いで波形を見てみます。

ゲインが大体丁度よい時

 

振幅が大きい方がサーボの応答、小さい方が指定値です。指令値が立ち上がってから徐々にサーボが動いて、指定値に達するとそれを維持し、また立ち下がり時も同様の動作で指定値に従って動作します。指定値に到達している時は外乱にも強く、手でサーボホーンを動かそうとしても（トルクがある程度強ければ）ほとんど動きません。

次にゲインが必要以上に高い時の様子

なかなかおもしろいことになっています。指定値の立ち上がりから少し遅れて現在値も立ち上がっていますが、頂上あたりで行き過ぎを検知して、戻しすぎ、また行き過ぎ、戻しすぎる…というのを数度繰り返したあと収束しています。いわゆるハンチングと呼ばれる現象です。ゲインを必要以上に高くするとこうなるので注意しましょう。また、モータ電流が瞬間的に高くなる部分で電源電圧が低下しているため指定値にも影響が出ていますね。パスコンを増やすなり電源のインピーダンスを下げるなりしたほうが良いです。画像はありませんが低く過ぎると、いつまで経っても指定値にならないような波形になります。

サーボの特性で、立ち上がり速度と立ち下がり速度が違うのは仕方ないです。

簡単な回路で、角度制御ができておもしろいのでいらないサーボがあれば試してみてはいかがでしょうか。

Web拍手反応

>餃子なのかマグネトロンなのかはっきりしてください

おずしは（一応）人間なのでどちらかと言えば餃子に近いと思います。 

>koko 

ココスの包み焼きハンバーグ食べてみたい

>そりすぎて百万回そりになった猫 

100万回抜いたねこれ　のコラ割りとすき

>お前、言語か？ 

教諭はアカチャンの時も言語って泣いてそう

>記事書く時はめっちゃ頭良さそうに見えるKKTすこ 

記事書く時はめっちゃ頭良さそうに見えるくらいでしか好かれない男！(ﾄﾞｯ)

>すき... 

心苦しいからやめて

>わーい! 

ワイはワイのために、みんなもワイのために、やぞ

>いつも楽しく拝見しております。ｼｭｯｼｭｯｼｭ 

ｼｭｯｼｭｯｼｭｼｭｼｭ!強い素子！ｼｭｯｼｭ!

>オラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオラオ…

いたずらに長いのを送るのはNG

>失敗集はよ 

ワシの伝記出版されたらほぼ失敗集みたいになるやろ

シモネタ送るのはやめよう！

それでは、今日はこの辺で。

VVVFインバータ製作 その1

こ***は。KKTです。

身内ネタ失礼します（予告）。
先日なかたくんと何人かで「君の蟹。（きみのかにまる）」という映画を見ました。内容自体はとてもおもしろくて、感動しました。特に宮水家特有の妄言や、一見関係無さそうに見えることも実は”結び”であることなどが印象的でした（ネタバレを避けるためこれも妄言です）。
さて、カラフルなケーブルや虹色のフラットケーブルを見てると思い出すのがこれ

 

 そう、組紐です。靴紐の上位互換みたいな奴ですが、僕も結い方を調べて編んでみることにしました。今回は平結びという結び方にチャレンジしました。

 とても微妙ですね。なんか気持ち悪いです。

 あとケーブルが汚いです。本来は芯糸（赤い）が見えないようになるのが美しいようです。ケーブルが固かったので仕方ないような気もします。

次から出かける時はこんな感じでキメていこうと思います。

 これもまた結びということですね。


一応試してみる方のために参考ページです。
http://missanga.seesaa.net/article/102864479.html



雑談が長くなってしましたが本題です。
しばらく放置していたAVRマイコンを使ってVVVFインバータを作っていきたいと思います。グーグルさんに尋ねると作例はいくらか見つかりますが、あまり詳細な製作方法について述べてる記事は少ないようですので、製作作業の様子や試行錯誤などをできるだけ詳しく書けたらなぁと思います。たぶん僕のメモ書きみたいになります。以下ダラダラと説明が続きます。

まずVVVFインバータについてですが、直訳すると可変電圧可変周波数インバータということになります。今回は、三相モータ用のVVVFインバータを作ってみることにします。さらに電車の「ｳｰﾝｳｰﾝ」みたいな音がして欲しいので同期式の部分もしっかり作ろうと思います。仕様はまだハードに手を付けてないのであまり決めてないですが
・入力AC100V
・モータ電圧200V
・出力周波数1～200Hz
みたいな感じにする予定です。出力周波数の上限が200Hzと高いのはACサーボアンプへの転用も考えているからです。交流同期モータは小さくてもパワーがあるのですごいです。

VVVFインバータを作るにあたって、一応VVVFの原理くらいは把握しておいた方が良さそうなので自分のメモ書き程度に触れておきます。
負荷が交流モータなので、インバータの出力周波数が重要になってきます。モータの回転角は周波数によって制御されるからです。しかし一般的なかご形三相誘導電動機は同期してない（回転数と入力周波数が完全に一致していない）状態でもすべりによりトルクが発生できるので、本当に回すだけなら固定周波数でも始動や運転ができます。というかぶっちゃけそれでもいいかなと思ってたんですがやっぱりGTOのVVVFみたいな音がして欲しいので可変周波数にしました。
実際にモータに印加される交流を生成するのはハードウェアのパワー回路なんですが、流石にA級やB級のアンプで純粋な交流の電力増幅を行うと消費電力や効率の面で色々馬鹿にならないのでD級の出力回路、つまりPWMで変調された交流を出力させます。PWMで出力するとういことは交流の信号と三角波を比較して、PWM信号を生成する訳ですけれどもこの時の周波数がなかなかおもしろいパラーメータとなっています。三角波の周波数はデジタル的な出力信号の品質に直結するわけですが、高くすることでの問題も当然あります。この辺りの説明はネットに山ほどあるので割愛しますが、古くはサイリスタで行われてきたスイッチングにはやはり損失やスイッチング速度の問題で上限があります。そのために存在しているのが、同期モードにおけるパルスモードと呼ばれるものです。
同期モードというのは、交流信号に対して変調する三角波が同期している状態です。つまり三角波の周波数は交流信号の逓倍になっていて、この倍率がパルスモードとなっているわけです。
下の図に同期モードにおける信号波と変調波の様子を書きました。

青い線が変調している三角波で、紫色の線が変調したいサイン波です。立ち上がりと立ち下がりの関係でわかりにくいですが、サイン波一周期に対して三角波はピッタリ三周期分あるのがわかります。また、赤線で描いたのは比較後のコンパレータ出力のイメージで、これがパワー回路に入力されることになります。このように三角波の周波数をサイン波の整数倍の周波数にすることで、毎周期同じPWM信号が得られるため、不規則に出て来る信号などが減りノイズ削減になります（たぶん）。騒音もうねりがなくなるため非同期に比べると幾分かましになると思います。
言い忘れましたが非同期とはこれ以外のモードです。電車では、発車時の「ｷｰﾝ」という短い音に当たる部分です。電車のモータ制御でなぜ最初だけ非同期なのかはよくわかりませんが、ごく低周波時に同期モードにすると不快な音が出るからとかでしょうか。まぁこの辺はやってみたらわかりますね。
電車のモータの回転数が上がっていくにしたがって、自動車のギアチェンジみたいに音が変わっていくのはよく耳にしますね。あそこでパルスモード、つまり三角波のサイン波に対する周波数の倍率が変化しています。スイッチング素子の限界周波数に達したからです。同期モードでサイン波の周波数を上げると同期している三角波の周波数も上がってくので適当なところで倍率を落としてやる必要があるんですね。

とまぁ、だいたいVVVFの原理が解ったのでソフトを作っていきます。まずは同期式PWMのテストとしてATtiny13Aを使用して三相分のPWM信号出力テストをしてみました。ソースは説明がめんどくさいので次回にします。

出力波形です。同期倍率は3倍です。上に描いた図と一致していますね。

 位相もだいたいピッタリ(!)120°ズレています。オシロが2chなのでもう一相は同時に描画出来ませんが正常でした。なんかバグもあるみたいなので修正しないといけません。

Web拍手反応

>EMLってなんだすか
ググりましたが、メールのファイルの拡張子みたいですね。
ほんとは電磁飛翔体加速装置らしいです。

>クチビル＾学＾園に入学する方法を教えてください
僕は卒園してないのでよく知りません。核酸とか教諭とかの著名言語学者に聞いてください。身内ネタ失礼しました。
そういえば幼稚園児の時さつまいも掘りというイベントがあったのですが取りすぎた僕は重くて袋を引きずって破く→先生が袋をもう一枚重ねてくれる→破くを繰り返してました。

>(拍手だけでも送れます) ←これ草
デフォルトのメッセージ(?)なんだよなぁ

>こんにちは、いつも楽しく拝見しております。
>シングルIHの記事を楽しみにしています＼(^o^)／
楽しいことは重要だと僕も思います。
シングルIHの記事は完結させたつもりだったのですが…。
たぶん再現性はあるのでまた実験して各部波形や定数調整について書くかもしれません、かもしれません。

>がんばっちょ
すき

>こんばんは、いつも楽しく拝見しています。
>わい。
一人称で名乗れたと思ってそう。

> わい！
> おっぱ
> ちん
> ホカホカ
> わい
> もっと送る
> \ぽ/
> わーい
こういうのは無意味に見えて実は意味の無いメッセージ、と思われがちですが本当はそれぞれ思うところがあって送信しているのだと思います。僕の思いは「なんでなかたくん記事書かないんかなぁ～？」です。あと5日！

それでは、今日はこの辺で。

コイルガンの電流計測

こんばんは、KKTです。
なかたくんは9月中には記事を書くとのことです。ほんとかなぁ…。
また「間に合わせ記事」みたいのになるんやろうか。
かく言うワシも少し間が空いてしまったかもしれませんね。

最近コイルガンを作りたくなってきたので、少し挙動を見てみることにしました。
初めてコイルガンを作ったのはもう6年くらい前ですが、それから特に工夫したりしたわけではないので初心者同然です。 効率を求める工夫はたくさんの方がされていて、今でも動画やサイトで様々な情報が得られるので比較的作りやすいEMLだと思います。
今回は多段式で、素子をターンオフさせるタイプを作ろうと思います。

まずは電流波形を測ってみることにします。

 

直径2mmのPEWを10m巻いています。幅は約85mmくらいでしょうか。

コイル電流を見たいのでCTを付けてみます。

 

30回巻きのCTに0.3Ωで終端しているので1V/100Aになるはずです。

スイッチングは東芝の逆導通サイリスタSHR400R21Cというディスク型のものです。

コンデンサは電解の3900uF400Vですのでスイッチング素子は少々オーバスペックですね。

取り敢えずコンデンサに充電して、サイリスタで電荷がなくなるまで放電してみましょう。

 

左の方の点線がスイッチONのタイミングです。なんかおかしいような…。 

逆道通サイリスタなんで電流が振動するのはわかるんですが、こんな波形になるんでしょうか。

取り敢えずコンデンサの電圧も同時にプロットしてみます。

 

なんか不自然ですね。これはCTがおかしいんじゃないかなぁ～？と思ったので、微小抵抗で電流を測ることにしました。

結果が↓

 

アッ！なんか良さそう。ちなみにこれはコイルに鉄心を入れて電流を流したところです。

垂直の精度は不明ですが、水平は1ms/divです。

かなりコンデンサが逆充電されていることがわかりました。逆充電に使われているエネルギは当然弾体の加速には必要無いのでこいつを回生するだけでも少し効率は上がりそうです。

デジタルストレージオシロスコープというもので計測したのですが、便利なものです。今まで連続的な現象しか見ていませんでしたがトリガをちゃんとかけてやれば過渡応答を見ることができるんですね。

次回（次の記事とは限らない）はサイリスタをターンオフさせる転流回路やその応答について調べようかと思います。 

Web拍手反応

>なかたです

なかたくんボタン押してないで記事書いて。

>ﾋﾞｭｰｯ 

出すな

>バナナコンテナ＾＾ 

納豆コンテナ＾＾

>ｷｬｯｷｬｯｷｬ 

>ﾋﾟﾁｬｯ! 

>ぬめぬめぬめ... 

>わい! 

楽しそう

>ぽんぽん要る? 

要る

それでは、今日はこの辺で。

ホテルニューおずや

おはようございます。KKTです。

まだ東京にいましておずや（おずしのおうちのこと）にお世話になっております。昨日もおずやに秋葉原を案内してもらい、たくさんお買い物をしました。やった。

後ろに写っているのがおずやで、買ったのはLCRメータです。大喜び。

aitendoで安売りされていたAVRライタも買ってきました。

おうちに帰って調べたところ、わたくしの使おうと思っていたマイコンには対応していませんでした。

 日米でIGBTモジュール買いました。インバータ作ります。よ。

ごはん

 うまい！

詳しくは家に帰ってからまた書こうと思います。

おまけ

おずやと公園で遊んだところ、砂だらけになってしまいました。

おずしありがとう。

Web拍手なんですが、ちょくちょくメッセージ頂いており、すべて読んでおります。

気になったものだけ以下に一言添えておきます。

>clapとcrapって似てない？ 

くそ

>(なかたさんの記事催促記事も楽しみです) 

なかたくんまだかなぁ～？

というか、記事催促記事ってなんなんだよなぁ

> 以下のメッセージが送信されました。

これ10個くらい届いてた。ずっと下見てる。

それでは、今日はこの辺で。

東京遠征

こんばんは、KKTです。課題が終わらなさそうでそこそこまずいです。

たぶん今月最後の更新です。8月は比較的更新したかなぁ～？（なかた）

27、28日は暇なので東京に行きました。

まず秋葉原に行き、部品を購入しました。

偶然居合わせたおずしとかにまるくんが待っていてくれたので一緒にご飯を食べました。

 右に写っているのがおずしで、左の水が僕のランチでした。

日米というところに行ってトランス類を買いました。

 トランスのボビンとコアですね。

DCCTも安かったので購入。

 200Aまで測れるようです。使い道はたくさんありそうなので取り敢えず4つ購入。

あとはマルツでコイル買ったり

 

どっかで真空管用の出力トランスとダイオード買ったりしてました。

 球は家にいくつかあるのでそのうちアンプを作ろうと思います。

下（しも）のは1個10円のダイオードらしいです。

その後はきたねえさんと合流しておずし宅で遊んでました。

きたねえとおずしありがとう。

おまけ

↑わい

Web拍手とかいう懐かしいシステムのことを思い出したので前回記事にこっそり足しておいたのですがこっそり気づかれてしまったようで「おっぱい」というメッセイジが届いておりました。ありがとうございます。ボタンもたくさん押してあって印象的でした。

それでは、今日はこの辺で。 

100均充電式ライターを買った

どうも。

久しぶりに100均に行ったところ港で話題の（？）充電式ライターが売っており、購入してみました。充電式というのも充電池が内蔵されていて電熱線でタバコを点火するようです。

これです

裏側

点火時

裏のネジを外すと中身が出せます。

このスイッチでカバーのせり出しを見ているようです。

さらにネジを外すと電熱線が取れます。

さらに基板も取れます。

基板に載ってるICは型番がよく見えませんが、LEDと電熱線のON/OFFを制御しているようです。電熱線の電流をスイッチしてるのは左の方の小さな素子みたいです。2300と書いてあったと思います。電池の充電制御は特にしていないようでUSBから供給される5Vにダイオードと抵抗を挟んであるだけのようです。

裏にはリチウムイオン電池（？）があります。

 容量等は表記がありませんでした。

という感じで、200円でリポと部品類が少々取れます。

それでは、今日はこの辺で。

Web拍手テスト

 

PLL IH 続き

こんばんは。ニコニコピーs…KKTです✌

実質夏休みがあと二週間ありません。もうおしまいです。

窓枠に部品が落ちているせいで窓が閉まらなくて困っています。

今回はいつものIHの記事です。加熱コイルとコンデンサを新調しまして安定して動くかなぁというところです。制御回路はいつもの4046の奴です。

裏に部品を色々追加したので地に足が付きませんね。追加したのは以下の回路です。

加熱コイルに流れる電流をパルス化する回路です。電流値も一緒に検出できたら良いのですが今のところこの回路からは位相情報しか得られません。100kの抵抗はカレントトランスの一次電流によってはかなり電圧がかかるので僕は1W品を使用しました。47nのコンデンサも耐圧が高いほうが良いでしょう（僕は50Vのを使いましたがもう少し高いほうが良さそう）。CurrentPhaseの出力を4046の14ピンに繋ぐだけです。

 新調した共振回路部です。トランスがごちゃごちゃしています。大きい方のトランスがインピーダンス変換用のトランスで、巻数比は1：9です。簡易的に計算すると共振回路のインピーダンスは0.08Ωくらいのようです（？）。

小さい方のトランスはCTです。写真には無いですが1：33のを二つ用意して1：999として使っています。何故か結構発熱します。ピーク500A近く流してるからでしょうか。

挟まっている紙はショートしないように入れてみました。

 コイルの大きさは500mlのペットボトルより一回り大きいくらいでしょうか。

 黒い円筒状のものがコンデンサです。2.5uF　700V耐圧です。某氏に頂きました。感謝です。

入力電力を上げていくとあるところでチリチリと音がし出して動作が不安定になるのですが、コンデンサの端子電圧を測定したところどうやら耐圧オーバーなようです。もう一つ同じコンデンサがあるので直列にして耐圧を稼ごうかと思ったのですが共振周波数が上がってスイッチング損失が増えそうなので微妙なところです。パラったら共振電流が増えて電圧下がるんじゃないかと思うので気が向いたらやってみようと思います。現状コンセントの限界である1500Wを突っ込む前にコンデンサの耐圧の限界来てるので少しもったいないですね。

 いつものパワー回路。600V200AのIGBTです。測定したところ素子の電流はピーク50Aくらいだったのでフルブリッジにすれば30Aくらいの素子でもフルパワー出せそうです。ちとゲートが重いのでゲートドライバが苦しそうなのが心配です。

という感じでほとんど写真でごまかしました。次回（次の記事を指してる訳では無い）はオシロが無い人でも位相の調整ができるような共振検出器の記事を書こうかと思っています。

それでは、今日はこの辺で。

銅管曲げ

こんばんは。KKTです。なかたが記事を書きません（直球）。

前回記事の通り砂遊びをしましたので見てください。

とても楽しかったです。

というのは冗談ですが、上の草はさておき買ってきた砂は湿っていたのでまず外で乾かしました。以下、用意するのは銅管、テープなどです。

次に漏斗を用意します。

僕が作りました。穴径は銅管の外側の直径に合わせます（合わせなくても良い）。

砂を銅管に詰めます。パンパンに詰めましょう。多いに越したことはありません。

これでなんと銅管を潰さずに曲げることができるのです！

御覧ください。雑な工作の僕でも丁寧な人が雑にやったくらいのものができます。

 いやぁ、素晴らしいですね。

完璧に曲げることができました。

これで今まで潰れて曲げれなかった銅管も簡単に曲げることができますね！

注意点としては一度曲がってしまった銅管は元に戻らないのでお気をつけて。

それでは、今日はこの辺で。