コアレスモータ搭載車にも対応したマイコン式運転操作台２

2021/05/31 09:38

Arduino マイコンとモータドライバを使って、コアレスモータ搭載車でも充分に低速制御が出来る運転操作台を自作しました。先回に引き続き、スケッチの内容と運転状態を紹介します。

■ 制御ロジックの内容
制御方法は、操作盤の操作内容に従って現在の車速を演算し、走行させる動力の特性に応じたPWM制御のデューティ比をマイコンから出力させる。モータドライバはこのデューティ比信号によりDC12ボルトのPWM電圧として出力して、Ｎゲージ動力を走らせる給電として供給させる。進行方向や停止の操作は、３ポジション式のトグルスイッチ使ったハード回路で実行させる。

１）使用するマイコンは使い馴れた Arduino UNO を使う。操作盤から、マスコン、ブレーキ、レンジ選択、微調整量の操作信号を入力として受け取り、PWM制御用のデューティ値を出力させる。PWM制御のキャリヤ周波数は、キーンと言う音を嫌って可聴域外の20KHzを使用する。その設定方法は、「Arduino Uno のPWMキャリア周波数を20kHｚにする」を参照されたい。出力ポートは、10番ポートを使用するが、20KHz化の細工のために、９番ポートは使用出来なくなっています。さらに、デューティ値の指定範囲は０～99までとなります。このため、デューティ比とデューティ値は同じ値となります。

２）デューティ比と車速の関係。今までの色々な実験より、Nゲージにおける車速は、コアレスモータと言えども給電電圧と直線的な比例関係にある事が分かっています。ただし、パルス制御（ここではPWM制御を使用します）のDC12ボルトの電圧をON/OFFさせた時の回生電流の処理のしかによって、この関係が非線形になったり線形になるものと推測しています。今回は、モータドライバと制御方法に選択することによって、線形かを実現させました。

３）車速の演算方法。運転状態を加速状態と制動状態、および惰行運転状態の三つのケースに分けて、そのぞれの状態に応じて車速を演算させます。Arduino のプログラムを記述するスケッチでは、メインのループ内で繰り返し演算しているので、このループをほぼ0.5秒で繰り返す様に設定し、操作盤の各スイッチの状態を読み込んでそれに応じた演算を実施するようにしています。

４）加速状態の演算。ブレーキが０ノッチで、マスコンが０以外のノッチの場合、目標車速をノッチ数に応じて決めている車速とします。そして車速ゼロからループ毎に加算して現在の車速とします。加算する値は、目標車速の差にある係数をかけた値とします。このため、加速途中でノッチを変えても目標車速が変更されるので、それの応じて車速を演算して行きます。また、車速は整数で取り扱っているので、小数点以下は切り捨て処理されます。このため、下から近づく場合と上から近づく場合を分けて演算しています。

５）惰行運転状態の演算。ブレーキもマスコンもゼロノッチの場合、ループ毎に車速をひとつづつ減算させていきます。

６）ブレーキ状態の演算。ブレーキが０ノッチ以外の時は、ノッチ数に応じてループ毎の減算を実行して行きます。従ってノッチ数が大きいと急速の速度を落とすことができますが、電車は急には止まりません！

７）デューティ値の演算。Nゲージのモデルによって、モータの仕様、ギヤ比および動輪直径の違いによって、デューティ値と車速の関係は異なってきます。このため、レンジ選択スイッチによって、その関係式の勾配を変化させました。のろのろ運転の河合の小型機関車からすっ飛び屋の鉄コレや昔のモデルなど様々です。そこで、ロータリスイッチの８個の選択に従って勾配値をほぼ等間隔に設定しています。

８）微調整値の演算。当初は常灯レベルの調整のためでしたが、最終的には上記で計算したデューティ値に単純に換算するようにしました。調整幅は 0～15 程度までです。

各制御の係数は、テスト走行を実施しながらチューニングを実施しました。スケッチで記述した数値を変更するだけで対応できますので、チューニングは容易でした。
　　　記述したスケッチの内容

■ モータドライバの選定
デューティ値と車速の関係が線形に制御出来るドライバは、自分が確認した物では、東芝製のTB6612（デュアルチャンネル）とROHM製のBD6231（シングルチャンネル）です。さらに、BD6231は制御B方式を使用し、PWM信号と出力が負論理となっているので、デューティ値を0なら100に、100なら0と逆にして制御する必要があります。今回はシングルチャンネルのBD6231を使用しました。

■ 運転状況
コアレスモータ搭載車を走らせた状態を動画で紹介致します。