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2011年12月14日(水) 21:15

致命的問題

 レーザー戦車は現在、2つの問題により中断している。
 1つは、励起LDの出力が上がらない問題。もう1つは、励起光をレーザーヘッドへと導く光ファイバーが途中で漏洩する問題である。
 このうち励起LDの出力に関しては、LDドライバーが悪いと判明している。定電圧電源+電流制限抵抗という簡易方式では、十分な性能を引き出せないのだ。しかし、ゴキブリレーザーやレーザー銃へとつながる最新の方式により、解消可能の目処が付いている。
 だが、光ファイバーの漏洩の方は非常に厄介だ。励起光の何割もが途中で漏洩し、著しく出力が落ちてしまう。そしてレーザー銃の製作途中で、この問題の絶望さが明白になった。

 光ファイバーを余りに強く曲げると、光を閉じ込められずに漏洩する。
 レーザー銃ではフレッツ光などでメジャーな、外径125ミクロンの光ファイバーを扱っている。赤色LDによる確認により、曲率半径が2センチ以下になると急激に漏洩光が増大すると判明した。
 一般的には、曲率半径25ミリ以上を確保すべし、となっている。

 これがレーザー戦車で使われている光ファイバーになると、外径800ミクロンという非常に太いものなのだ。となると、曲率半径15センチ程度ないと漏洩を防げない計算になる。直径でいえば30センチ。
 ところが、レーザー戦車では直径10センチ強しか確保できない。更に曲げを緩くするのは、物理的に不可能である。どう考えても、曲率半径が不足している。実際にグリーンレーザーを送り込んでみても、光ファイバー全体が緑に発光してしまう。
 808nmの励起光でも、パワーメーターで調べると明白に大幅な漏洩が起きている。どうにもならない。
 実はレーザー戦車の車体に搭載する前でも、時々謎の発振停止が起きていた。今から考えると、光ファイバーの曲げが一部でキツくなったときに停止していたのではないかと思われる。とぐろが部分的に直径30センチ以下になってしまうことは、珍しくなかったはず。
 つまり現状では、レーザー戦車は完成させられない。名前に値しない弱弱しいレーザーを発射することは出来るかもしれないが。

 思い付く対策は1つだけで、光ファイバーの切断である。
 光ファイバーを数センチ以下に切り詰め、励起LDとレーザーヘッドを直結寸前にしてしまう。これなら、何とかパーツを配置可能だし出力も出せるだろう。ただし、切断面で無駄になる励起光を少なくするような上手な切断が出来るかどうかは分からない。
 非常にリスクが大きい。選択の余地はないが、最終的に駄目でしたとなる確率が高い。
 という訳で、放置のまま他プロジェクトを優先させている次第。

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2011年7月31日(日) 19:50

28アンペア

 ターゲット電流の A/D 変換値は20Aで 300H あたり。ターゲット値と現在の
A/D 変換値の差を取り、これを8で割る。それを、D/A 出力値の最大変化量とする。
 最初は変化量を32まで許し、ターゲット値に接近するほど変化量を減らして行く。
 リップルが発生しても、立ち上がり時であればオーバーシュートまでは至らない。

 直近4回の移動平均を取らないようにしてみた。波形は殆ど変わらない。安定後も、ほぼ区別が付かない。こうなると、余計な処理は不要だ。

 移動平均を取らず、メジアンフィルターのみでの安定期。A/D 変換も D/A 変換もシリアル通信やってるため時間が掛かり、フィードバックループは100μ秒よりもかなり長くなっているはずだ。すなわち、このスパイクノイズはフィードバックループの逸脱ではない。オシロのノイズか、それとも
DC-DC コンバーターが発生しているか、いずれかということになる。
 当初予定通り、ゴキブリレーザーでは外付けコンデンサーを過剰に付けてみよう。

 ターゲット電流の A/D 変換値を 3D0H にすると、アナログ電流計が28Aまで振れるようになった。オシロでも、ほぼ28A相当のシャント電位差約70ミリボルトを計測している。
 オシロのプローブを取り外して電源を紐付きにし、3分ほど連続動作させてみた。目的は、予定の28Aで
DC-DC コンバーターがどの程度発熱するかを確認すること。5ワットぐらいのはずで、それがヒートシンクで抑え切れるか?
 大丈夫だった。特に危険を感じるような過熱は、発生していない。D/A 出力変化量は早めに1カウントに以降し、電流上昇が緩やかになっている。しかし0.1秒以内に安定しているから、実用の問題はない。余りにギリギリまで1カウントに移行しなかったら、今度は運が悪い場合にオーバーシュートするかもしれない。これぐらいが、いい調整だろう。

 レーザー電源の開発は、成功したようだ。

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2011年7月30日(土) 22:23

20アンペア

 幾つかの特徴が分かってきた。まずは、安定期に入ったら D/A 変換値は1度に1ずつ変化させるだけがベストということ。大きくズレた時は大きく変化させようなどとすると、リップル状態になる。あれこれ試したが、フィードバックループに起因するリップルを抑えるには、アルゴリズムをいじるより単純に急変禁止した方が効果的である。とにかく定常期のレーダーダイオードは、ミリ秒単位で見た場合に状態が殆ど変化しない。急激なフィードバックは不要であって、それが必要であるかのように見えるとすればすべてノイズとみなして無視すべきである。
 レーザーダイオードには独特の特徴があるので、汎用の定電流電源よりもそれ専用に調整した制御を行う自作電源の方が高性能になるかもしれない。

 改造ベースとして使用した DC-DC コンバーターは非常に優秀で、大きな負荷を軽々と振り回すことも分かって来た。つまり、反応が遅延しない。
 下手に過去の値を長々と参照すると、電源立ち上げ時に長周期のリップルが発生して安定まで余分な時間を要する。ほんのちょっとだけ過去を参照すれば十分だ。

 生電流測定値が所定の値を2回超えるまでは、毎回32カウントずつ出力電圧をアップ。超えたらカウントを1ずつしか変化させないモードへ移行。そのような制御を行ってみた。メジアンフィルターありとは言え、ノイズで異常値が出現する確率はゼロにならない。
 「所定の値」が低過ぎれば、超えていなくてもノイズで超えた扱いされてカウントがすぐ1制限に移行するかもしれない。すると、電流の上昇が遅くなってしまう。数秒以内には上昇し切るから、致命的ではないが。
 「所定の値」が高過ぎれば、超えているのに超えたとみなされず急上昇が続くかもしれない。すると、オーバーシュートが発生する。

 要するに、ターゲット電流の大きさに合わせて敷居値や敷居回数を適切に調整せねばならない。

 制御パラメータは同一のまま、ターゲット電流を約15Aから約20Aに引き上げてみた。
 急変抑止に移行する電流値はほぼ同一で、上昇がゆっくりになる期間が長く続いてから平衡に到達している。敷居値を一定にするのではなく、現在の電流値とターゲット電流値の差に応じて
D/A 出力の変化量を変える制御が良さそうだ。

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2011年7月29日(金) 21:37

どう制御するか

 シャント抵抗に、オシロを接続。GNDが浮いているため、普通はこのようなプローブの使い方をしてはならない。しかし、レーザーをラジコンバッテリーで動作させれば無問題。オシロとレーザーのGNDが完全に独立するからだ。

 レーザードライバーの難点は、電源ON直後の処理である。順方向電圧に達するまでは電流が殆ど流れず、順方向電圧を超えた瞬間に急激に電流が大きくなる。電源ONの直後は出力電圧を急変させねば、レーザーに通電が開始されるまで時間が掛かる。だが、急変可能にしたままでは安定性が悪くなる。
 いったん所定の電流が流れるようになればレーザーの状態は緩やかにしか変化せず、今度は急激な電圧変動は害悪にしかならない。

 そこで考えたが、設定電圧に達するまでは電流を急激に変化させる。達した後は緩やかな変化しか許さない。そんな制御である。D/A
出力値を32ずつ大きくする。これは約0.01Vに相当する。レーザーダイオードの順方向電圧は電流により変化し、変化幅は約0.2Vである。つまり、定格電流の約20分の1ずつ電流が上昇する。
 これなら、電流を監視していて「電流が流れ始めた」ことを確実に捉えられるだろう。一方で、その電圧に達するまでの時間もそう長くならない。

 適当にパラメータ設定して動作させたところ、少しオーバーシュートしてから安定した。2.5ミリボルトで1アンペアだから、目盛り1つが4アンペアに相当する。アナログ電流計は約16Aになっている。

 未来予測を長くすると、立ち上がりカーブはいい形だが時間が掛かるようになった。過去の電流値を保存しておき、現在値を2倍して過去の値を引く。すると、未来に線形延長した値が出る。どの程度過去の値を使うかで、フィードバックを早めに掛けられるようになる。出力→入力の反応が遅い場合に効果的。

 目標電流との差があるとき、フィードバックの量をどの程度にするか?
 これもやってみないと分からない。さすがにミリボルトの世界ではノイズが多いものの、オシロは十分に有効な情報を出してくれる。パラメータを変えて試行錯誤し、この「系」の特徴を掴もうと実測を繰り返す。

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2011年7月22日(金) 22:43

追加確認

 シャント電位差は数十ミリボルトしかなく、正確に値を計測するのは難しい・・・わけでもなかった。そうだ、電圧に関しては精密測定器を持ってたっけ。直接ハンダ付けして準備。

 室温が下がっているせいか、1.811V 出力でアナログ電流計は13Aを指した。

 一方で精密デジタル電圧計は、0.301Vではない。これ表示が×10のモードになっているので、実際は0.0301Vである。ほぼジャスト30ミリボルト。シャント抵抗は2.5ミリオーム(誤差1%)だから、約12Aということになる。
 アナログ電流計とデジタル電圧計が、ほぼ矛盾しない値を出している。

 12A前後が流れているのだ。

 では、PICの A/D 変換値はどうなっているか?
 若干電流が増えて値も大きくなっているものの、やはり妙に小さい。4値合算モードで、330カウント前後。12Aなら480カウントなければならない。相変わらず半端な値。

0000:05 2C 05 2C 05 2C 05 2C 05 2C 05 28 05 24 05 20
0010:05 21 05 28 05 2F 05 36 05 36 05 36 05 34 05 31
0020:05 2C 05 25 05 20 05 20 05 25 05 2C 05 33 05 36
0030:05 38 05 38 05 36 05 34 05 32 05 30 05 30 05 33
0040:05 30 05 2C 05 28 05 21 05 20 05 24 05 2B 05 32
0050:05 39 05 3C 05 3C 05 3C 05 3C 05 3C 05 3C 05 39
0060:05 31 05 29 05 21 05 1C 05 1C 05 1C 05 1C 05 1D
0070:05 1E 05 1F 05 20 05 26 05 2C 05 30 05 34 05 32
0080:05 2D 05 2D 05 2D 05 2D 05 33 05 36 05 39 05 3C
0090:05 3C 05 38 05 38 05 32 05 2A 05 28 05 25 05 28
00A0:05 2D 05 30 05 2B 05 26 05 21 05 21 05 26 05 2F
00B0:05 34 05 34 05 36 05 34 05 34 05 34 05 32 05 30
00C0:05 32 05 35 05 38 05 3B 05 36 05 30 05 2A 05 24
00D0:05 28 05 2E 05 32 05 36 05 38 05 38 05 36 05 30
00E0:05 28 05 16 05 12 05 12 05 12 05 1C 05 20 05 27
00F0:05 30 05 37 05 3A 05 3A 05 38 05 36 05 2F 05 28

 計測値そのものは安定しているので、当面こんなものだとして進むしかない。

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