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。

Masima-bemf

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。

20200224-0-08-00

 

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。

20200223-1-20-43

20200223-21-36-26DSシールド基板裏面

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。

 

Photo_20200131015201

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。

20200116-22-47-32

 

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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20200109-23-39-40

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。

20191204-23-59-46

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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車載型スピードメーターの試み(2)

以前途中止めになっている車載型スピードメーターです
ちょっと気晴らしに 磁気式エンコーダーをボギー車輪に組み込んでみました。
やはり10.5φ車輪では線路とのクリアランスが厳しく、11.2φの車輪に組み込みました。

20190804-0-08-18

 

20190804-0-08-32

固定方法は、使わないモーター端子の用の配線穴にリン銅線をハンダ付けして、それを台車のマクラバリに嵌め込んでいます。
なお台車はオーストラリア型の客車用で、ポリアセタール製です。

配線のコードはANA国内線の機内で配っている使い捨て?のイアホンについているコードです。ポリウレタン線がビニールの皮膜で覆われています。LEDのライトの配線にも好適です。お持ち帰り可なので搭乗ごとに1個もらってきて再利用させていただいています。

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ピュアアナログアダプター

DesktopStationから発売されているピュアアナログアダプターを組んでみました。私は基板のみ購入して、コネクター以外の電子パーツは秋月電子などで調達しました。
20190209_0_33_30
これは、方形波パルスの電流を一定電圧の平滑な電流に変換する(ローパスフィルター)回路です。
本来wifi対応DCCコマンドステーションDSair2で、アナログの車両を走らせるためのデバイスですが、パルス(PWM)制御のパワーパックも電圧制御にできるらしいので購入してみました。(こういう使い方はメーカーサポート外ですので念のため)
通常電圧制御だと降圧した分の電力は熱で捨てることになりますが、パルス(PWM)制御だと電流のオンオフだけなのでエネルギーのロスが小さいです。それをこういうローパスフィルターで変換すれば、通常の電圧制御より節電になるはずです。ACアダプターにつなぐ場合は、電源から供給される電力を熱で捨てても問題ないですが、電池やバッテリー駆動だとかなり違ってくるのではないかと思っています。また一台のパワーパックで、パルス制御と電圧制御に切り替えられるように容易にできそうです。

2/11追記
以前電池式パワーパックに使った秋月のPWMモーターコントローラーキットをクロックアップ改造したものをつないでみました。なお500円と安価なキットなので、もう一台新しいキットを組みました。
具体的にはC1コンデンサーを1000pFから330pFに交換しました。キットオリジナルの発振周波数は約10kHzで、改造後の周波数は約3倍になるはずですが、約33kHzのPWM周波数が出ているようです。
これをピュアアナログアダプターに接続してモーターを廻すと、ほぼ平滑な直流が出力されるのが確認できました。
また出力平滑化とは関係ないですが、この秋月のキットはボリュームを最小にしても波形のduty比がゼロにはならないらしく、低消費電力のモーターだと動いてしまうという報告が、備南鉄道さんからありましたので、スイッチつきボリュームを使って、R1とFETのゲート端子の間にスイッチをいれました。ボリュームのスイッチがオフになるとFETのゲート端子が接地されることになるので、出力はゼロになります。
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車載型スピードメーターの試み(1)

今夜もハンダゴテは握らず、パソコンの前でプログラミングしてしまいました。

前回ArduinoUnoを使ったときに使わせていただいたスケッチ(プログラム)はAVRパソコンのシフトレジスターの機能を使っているためESP-WROOM-2では使えませんでした。
というわけで「おもちゃラボ」さんのスケッチ(プログラム)を参考にさせていただき、ESP-WROOM-2で動くロータリーエンコーダーのカウントプログラムをつくりました。
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撮影時に青線が断線してしまいました。

最初は、7segLEDを車体に載せて速度表示することも考えたました。せっかくESP-WROOM-2で動くようにできたので、mgo-tecさんのServer-Sent Eventのスケッチ(プログラム)を改造させていただいて、wifi通信を使ってiPhoneにリアルタイムで速度表示できるようにしようと思いました。
現在はまだローターーエンコーダーの回転情報表示だけですが、この数値を変換してスケールスピード表示できるようにします。問題点は、ダブルカウントや読み落としが発生しないかということと、ギアードモーター用の磁気式エンコーダーを使っているので、ケーディーの開放ランプ上で問題がでないかということを少し心配しています。

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iPhoneのSafari画面です。
また完成したらご報告します。


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