PWM制御と電圧制御切替式パワーパックをつくる

秋月電子から出ているロングセラーの電子組み立てキットで、PWM(スイッチング方式)DCモーター速度可変キットがあります。これは12Vの電源がそのまま使えるので、鉄道模型のパワーパックの制御回路としても好適です。

私も以前このキットを購入してPWM制御のパワーパックとして使っていましたが、今回Desktop stationさんのピュアアナログアダプターの互換基板(ノラ版)を付加して、PWM制御と電圧制御を切り替えて使えるパワーパックに仕立て直しました。

以前は、電池ボックス内蔵のケースに入れていましたが、かさばるのと最近は乾電池より、携帯用のモバイルバッテリーから電圧昇圧ケーブルで電源をとることが多いので、今回は電源は内蔵していません。ショート対策も電源の方の保護回路が働くようなので、今回は省略しました。

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なおキットは下記のように改造しています。
ボリュームは基板上のボリュームは使わず、スイッチつきボリュームを外付けにしました。
PWM周波数が約10kHzで少し耳障りなのと、コアレスモーターには周波数が低くて不適当なので、約30kHzに変更してあります。これはキットのC1コンデンサーを1000pFから330pFに交換してタイマーICの発振周波数を変更しました。
またこのキットは、PWMのデューティー比が2-99%の可変で、0%にはなりません。キット説明書にはモーター制御では問題ないと書かれていますが、小型のコアレスでは回転が停止しないこともあるので、R1とR2-FETゲートの間にスイッチを入れてオンオフすることにより、0%出力になるようにしました。このスイッチは、スイッチつきボリュームを使って、ボリュームが最小のときオフになるようにしています。

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ピュアアナログアダプターは純正どおりの回路をユニバーサル基板上に組みました。ただチョークコイルの距離はもう少し離した方がよいかもしれません。

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タカチのアルミケースに納めました。左の基板が秋月のキット、右端の基板がピュアアナログアダプターの基板です。

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左のトグルスイッチが、中立オフつきの前後進切替用です。

右の4回路2接点のトグルスイッチが、PWM制御と電圧制御の切替用です。上側に倒すと走行電流がピュアアナログアダプターを経由して平滑直流に変換して出力され、下側に倒すとバイパスしたPWM電流が出力されます。

 

出力電圧の波形を簡易オシロスコープで観察してみました。

 

PWM制御方式の電圧波形です

 

電圧制御方式の電圧波形です。元のPWM波形が歪んでいるためかノイズが混入しています。

簡易オシロをiPhone手持ちで撮影したので動画が揺れて申しわけありません

電圧制御といっても、トランジスタやFETを使って降圧しているわけではありません。PWM制御の方形波の直流電圧に強いローパスフィルタをかけて、平滑な直流に変換しています。トランジスタなどで降圧すると、抵抗制御とおなじように下げた電圧分の電力を熱で放出してエネルギー浪費しますが、このフィルタ方式だとその無駄ありません。といっても効率は100%にはなりませんが、バッテリーの保ちはかなり違うはずです(まだ条件を揃えた実験していないので、エビデンスがありません)

 

 

 

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DCCコントローラー

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パワーパック型のDCCコントローラーができました。まだ表面の保護シート剥がしていません。

某鉄道模型バー(現在は緊急事態下でカフェ)に置かせてもらうために作ったものです。

従来のパワーパックの操作感に近づけるため前後進はプッシュスイッチではなく上面の液晶モニター手前のトグルスイッチで切替えるようにしました。もちろんセンターオフありです。まだお店にDCC車両持ち込まれる方少ないようなので、DC運転にもつかえるように 手前右側のスイッチで、DCCと通常のDC(パルス制御)を一発で切替えられるようにしてあります。左側のスイッチは、プログラミングトラックの切替スイッチです。

ファンクション操作やアドレス指定のためのテンキーは、ゴムスイッチを使って耐久性を持たせると同時に操作感を改善しました。

操作プログラムは、DeskstopStationさんのDSシールド2のスケッチの改造です。基本的には、以前作ったDSシールド2コントローラーと同じです。

もう少しプログラムをチューニングして、来月ぐらいにはお店に持ち込ませてもらいます。もうちょっとCOVID19感染状況落ち着かないと県境越える気にはならないです。

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鉄道模型コントローラーの電源基盤

最近はDCCのみならずアナログDCでも、鉄道模型コントローラー(パワーパック)の制御に、マイコンやタイマーIC使うことが多くなりました。こういうときには、鉄道模型運転電源としての12V以外に5Vの電子回路用の電源も必要となります。もちろん制御基板に三端子レギュレーターやDC-DC降圧コンバーター組み込めばよいのですが、秋月の半完成基板キットを利用すると簡単にできますので、ご報告しておきます。

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この基板はスライドスイッチが組み込めるようになっていますが、そこに2回路の端子台をつけます。ただし端子台の足がφ1.0あり、基板の孔はφ0.9なのでそのままでは挿入できません。基板の孔は1.1のドリルで拡大すると足が入ります。基板の孔がスルーホールではなくなってしまいますが、問題はないようです。スイッチは外付け用の端子にハンダ付け配線します。
定格は1.34Aですが、これは5Vに降圧する三端子レギュレーターの電流制限なので、12Vの電流制限は端子やスイッチの電流容量によることになります。鉄道模型でも、DCアダプターを利用することが多いので、基板上にアダプター用DCジャックがついているのも便利です。

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BEMF モーターの逆起電力を測定する(続々)

もう一度マシマの12V缶モーターを使って測定しました。

サンプリングを10Hz(100ms)とした場合(青点)と100Hz(10ms)でサンプリングして10回の平均値を出した場合(オレンジ点)で比較してみました。

逆起電力の電圧のサンプリングは300μs PWM出力停止後 30μs間隔で8回測定したものを平均しています。
なごでんさんのサウンドキューブのスケッチ参考にさせていただきました。

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やはり100Hzでサンプリングして平均値を出した方が、値のばらつきが小さくなるようです。(当然か?)

BEMFはモーターの回転数に比例するので、エンコーダーつけなくてもモーター回転数をモニターできます。

動輪の回転数はモーターの回転数に比例するので、BEMFを測定することで、蒸機のブラスト音など走行速度に比例したサウンドを出せるはずです。

7/14追記

縦のスケールは、aruduinoから帰ってくるanalogread()の値です。AruduinoのAD変換は10ビットなので、このモーターだとBEMFの最大電圧は、5*(100/2^10)=約0.5vです。

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BEMF モーターの逆起電力を測定する(続)

今度は実車で測定しました。日車20tCタンクをコンさんの走行用ローラーの上で走らせてみました。

モーターは、ミネベアのSH15です。

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20tbemf

 

ライトなどついていないので、だいたいモーター単体とおなじような結果でした。
やはり値がばらつくので、BEMFから速度測定するならなんらかのデジタルフィルターが必要なのかもしれません。あるいは走行音のリズム決めるのなら、この程度ばらついても大丈夫かもしれないですね。

今回の測定用スケッチは、なごでんさんのサウンドキューブのスケッチを参考にさせていただいています。サウンドキューブの走行音のリズムはBEMFからのモーター回転数ではなくコマンドステーションから指示された速度に同期するそうです。これはディーゼルなどで、速度を上げようとするとまず走行音が上がるからという設計思想のようです。確かにトルコン車はそうですね。蒸機の場合は、ブラスト音と速度は同期しますから、対象車種によって速度サウンド同期に対する考え方も違ってくるのは面白いと思いました。

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BEMF モーターの逆起電力を測定する

DSシールドの基板が余っていたので、改造してモーターの逆起電力(BEMF Back ElectroMotive Force)を計測してみました。

回路はDesktopStationさんの記事のとおりに組みました。

モーターはマシマの12V缶モーターです。

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結果は BEMFは10Hzで計測しています

Bemf

横軸がパルスのディーティー比(PWM制御)縦軸がBEMFです。

モーターへのBEMFフィードバック制御はかけていません。

うまく使えば、KATO サウンドボックスのパッチもんができるかも・・・

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車載型スピードメーター

調子良く走るようになったので、車載型スピードメーターの配線図とプログラム(スケッチ) esp_speedmeter_1.inoを公開します。

なおこのプログラムはmgo-tecさんのServer-Sent Eventのスケッチを参考にさせていただきました。

スマホやタブレットには、ソフトをインストールする必要はなく、ブラウザーで最初OLEDに表示されたアドレスに、ルーターを介してアクセスすれば速度表示されます。このモジュールに搭載されているマイコン自体が、データーサーバーになっています。直接スマホと車載のwifiチップで通信できればよいのですが、現在のプログラムではルーターを介して通信する必要があります。

 

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IO4についているスイッチは、スピードメーター単体で速度教示させるモードとwifiでスマホなどのブラウザーで速度表示させるモードを切り替えるためです。

プログラム中で、0.423秒=423ms ごとにカウントしている意味がおわかりにくいと思いますが、下記のロジックによるものです。

11.2φの車輪に1回転12カウントのエンコーダーがついています。

100÷(11.2X3.14)X12=34.1

100mmすすむと34カウントすることになるので、1カウントした時100mm=0.1m実物は模型の80倍なので80倍8mの距離の1/34=0.235mを進んだことになります。これを1時間3600秒で進む距離でkmに変換すると0.847kmとなります。0.235X60X60÷1000=0.847

そこで模型車両の実物に換算した時速は1秒間にNカウントされるとN X (1÷0.847) km/hとなります。見方を変えると0.847秒間にカウントした数がそのまま時速となります。

実際走らせてみると約0.8秒ごとでは速度変化がラフなように思われましたので、その半分の0.423秒ごとにカウントした値を2倍して時速として表示しています。

☆2/17追記

使用したマイコンモジュールは、スイッチサイエンスのESPr Developerです

ロータリーエンコーダーは、Pololu社の超小型メタルギアドモーター用磁気式エンコーダです。ただし製品のままでは10.5φ車輪には入りません。11.5φなら大丈夫です。

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車載型スピードメーターの試み(4)

7segLEDの代わりに、3.3V駆動が可能なOLED(有機EL)小型ディスプレーを接続して車上に搭載しました。
車両のスピードが、スマホやタブレットのブラウザーと車上のOLEDの両方に同時に表示されます。

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この車載型スピードメーターは、ESPr Developer(ESP-WROOM-2) にAruduino-IDEを使ってプログラムしています。

ブラウザーへの表示は、mgo-tecさんのServer-Sent Eventのスケッチ(プログラム)を参考にしてプログラムしました。

wifi通信を使ってリアルタイム(約0.4秒間隔)で速度表示しています。

起動時にOLED上にサーバーのアドレスを表示します。そのアドレスにブラウザーからアクセスすると速度表示が始まります。

☆1/17追記youtubeの設定にミスがありましたが修正しましたので動画が見えるようになりました。

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車載型スピードメーターの試み(3)

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車載型スピードメーターです。

台車の車輪に磁気式エンコーダーを組込み、車上のESPr Developer(ESP-WROOM-2)回転を検知して、wifi送信しています。

電源は床下に単四電池4本を搭載し、直列で6vを供給しています。

 

実際の列車の速度が、iPhoneのブラウザーで表示されます。
現在のプログラムでは、まだ1割ぐらい誤差がありそうです。
一度イモンの速度測定器を通してどのくらい差があるか見てみたいです。

車上にもI2c接続の7SegLEDを積んで速度表示を考えたのですが、ESP-WROOM-2は3.3V駆動であり、5Vとのレベル変換が必要となるのでペンディングとしました。

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中国製品恐るべし

手のひらサイズのデジタルオシロが五千円で買えました。波形みるのは楽しいです。
いい時代になったと思いますが、チャイナパワー恐るべしです。

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以前行き詰まって放うり出した、SL1互換機にまた手をつけたくなりました。

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