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2020年07月の記事

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2020年7月31日(金) 21:37

光出力決定

 実験中の安全確保に、外付け電源による照準用LDの発光が便利。
 電源端子は、簡単に電源を付け替え可能。

 これで、レーザー銃の電源を入れずに、照準を確認できる。想定外の場所に向いていると、非常に危険だ。

 ところが、制御プログラムの修正と動作確認に熱中し、ふと見るとカーテンの裾から炎が!

 慌てて消すが、内部で燻ってると恐怖なので切り取る。そして、念のため水洗い。
 実際は、タテに燃えたものを写真は横置きしている。

 レーザーのバックストップに、パソコン水冷用パーツのラジエーターを使っていた。これは銅製で、網目をレーザーが摺り抜けないよう斜めに置いてある。
 ところが試験に熱中し。ときどきラジエーターの位置を動かすべきなのをサボってしまった。そのため、レーザーがラジエーターを撃ち抜いてしまったのだ。

 焦点外れてるし斜めに置いた銅製を貫通できるわけがない、とレーザーの威力を甘く見てしまったのだ。簡単に火事を起こせる出力なので、もっと警戒せねば。

 カーテンの位置は、銃口(コリメートレンズ面)から107センチ。

 照準用レーザーを照射すると、直径2センチぐらいに広がっている。このエネルギー密度では金属を溶かしたりできないが、金属以外ならかなりのモノが燃えるだろう。

 バックストップを強化し、火事を予防する。しかし、これは実験の環境作りであって、実験の本題ではない。本題としては、次に光出力を測定せねばならない。
 すなわち、光出力センサーの1500という値が、具体的な光出力で何ワットに相当するのかを知らねばならない。

 レーザーパワーメーターとして、アナログ式を用意。

 プローブの四角い方が、光出力100ワットまでの測定に対応している。丸い方は最大500ワットで、先日110ワットを計測した奴だ。あの時は光出力センサーが1700ぐらいだった。今回は、平均1500にキッチリと制御されたレーザーを測定する。

 離れた位置すなわちレーザービームが広がった状態でプローブに照射させ、固定状態でも燃えたりしないようにする。そして固定状態だから、レーザー照射時間さえ正確に行うことで測定精度を上げられる。
 1700=110ワットという先日の結果は、1700というのがアバウトだし110ワットというのも不正確である。だが、一応そのデーターで推測すると、1500は97ワットに相当する。

 そこで100ワット用をしっかり固定して正確に20秒照射したところ、100ワットを振り切ってしまった。

 改めて500ワット用で再測定すると、今度は95ワットだった。
 もともとアナログ式は精度が低く、誤差5%以内とされている。つまり、実際の光出力は100ワット前後である可能性が高い。とはいえ誤差が元々大きいので、レーザー銃の出力を確実に確保するため95ワットを採用することに決めた。

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2020年7月30日(木) 21:13

制御プログラム

 制御プログラムは旧レーザー銃のアセンブラをCに移植するつもりだったが、旧レーザー銃は相当に面倒なことをやっている。大きな理由はPICの能力不足で、今回は dsPIC で余裕がある。だから、単純化することにした。
 安全対策をあれこれ組み込むので作成に時間を要したが、基本的な考え方は極めて単純である。光出力センサーの値を元に、出力電圧を変更して制御する。目的の光出力センサー値と実際の値を比較し、大小関係に応じて出力電圧を高くしたり低くしたりする。

 安定化の策として、現在値を2倍して過去値を減算する。これにより、非力なマイコンでも容易に計算できる。過去値をそのまま未来に線形延長しただけの値が計算できるわけだ。
 この未来予測値と、現在値を比較する。現在値が小さければ出力電圧を上げ、大きければ下げる。うまく安定するかどうかは、どのていど過去の値を使用するか、で調整する。
 まずは、目標値を1500に固定。これは、光出力センサーの増幅回路が、1500ミリボルトを出力するように制御することを意味する。
 過去値は、16回前の値を使うことにした。

 結果は、電圧上昇開始から20ミリ秒で、ほぼ安定している。ただし、手前でいったん落ち込んでいる。未来予測値による「このままではオーバーシュートする」判断が、早く発生し過ぎたようだ。

 やたらノイズが多いが、トリガーOFFでゼロボルトの期間も変わりなく発生しているので、光出力が激変しているのではなく光出力センサーにノイズが乗っているだけと判断できる。
 以前のオシロ測定ではノイズが少なかったのに、今回は多い。これは、制御系と接続するために延長配線を行っているせいだと思われる。

 若干補足しておくと、レーザー電源のDCコンバーターが安定化するのを待つため、トリガーON後は30ミリ秒待っている。波形の上昇は、トリガーを押してから30ミリ秒の遅延がある。それでも、トリガーを押して0.05秒も経過すれば殆ど予定出力まで出ているので、これでGを取り逃がすようなことはあるまい。
 旧レーザー銃はPICの性能が低いために処理ループに無駄を確保していて、トリガーを押してから0.3秒ぐらい要していた。

 次に、使用する過去値を32回前のものに変更してみる。すると、判断が「更に早過ぎる」結果となった。まあ、当然か。

 そこで、今度は8回前を使うことにした。これは、良い感じである。予定出力手前で僅かな落ち込みはあるが、素直な立ち上がりになっている。何しろ、これ以上ないぐらい単純な制御方式である。これ以上を望むのは、欲張りというものだろう。

 ちなみに、方式は単純だが細かな工夫はいろいろ行っている。
 ループ1回ごとの出力電圧変更量は、目標値との差により変えている。そしていったん出力が予定値の近くまで来れば、変更量は1固定になる。激変が阻止され、ローパスフィルター同様の効果を発揮する。だから、光出力センサーにこれほどノイズが乗っていても、制御は安定しているのだ。
 また、光出力センサーのナマ値ではなく、過去5回の中央値を使用している。センサーノイズが多い場合、メジアンフィルターが絶大な効果を発揮することが、過去の実験で分かっている。

 本実装では延長配線は除去するので、結果がこれより悪化するとは考えられない。

 オシロで確認するにあたり、トリガーを半秒ぐらいだけ押している。その全体波形を見ると、ノイズが多くても、想定通り1500ミリボルトでしっかり安定化できている。制御アルゴリズムの基本は、良好ということだ。筋は、悪くない。

 これならば、更に出力を上げても大丈夫だろう。

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2020年7月29日(水) 21:17

ハードの役者が揃う

 修正基板で動作確認するが、やはり光出力センサーだけ想定通りの値が取得できない。念のため、修正後の基板にエネループを接続してみようと考える。が、その前にまさに念のため、光出力センサーの出力電位をオシロで確認。
 すると、電圧が発生していない。

 何てこった!
 プラグの短絡仕様により、オペアンプを壊してしまった!

 でも、100Ωが入っていても壊れるほど、耐電流は小さかったのか?

 次の瞬間、真相に気付いた。

 オペアンプの電源が、接続されていなかった。

 光出力センサーは電源が必要で、わざわざ余剰電源を動員して専用電源を設置してある。その専用電源だが、コードが刺さっていないではないか。
 パソコンの電源が入らないのでおかしいと思ったら、コンセントが刺さっていなかった・・・というのはギャグなのにリアルで同じ事やっちゃってた。

 ちゃんと電源を接続すると、光出力センサーの値が取れるようになった。1700前後の値が取得できている。出力変化に従って、値も穏当に変化する。

 これまで動作確認しなかったメイントリガーも、正常に読めることを確認。

 既に、サブトリガーとボリュームと2つの切り替えスイッチは、正常に読めることが確認できている。これで、役者は全て揃った。
 後は制御系電源の容量をアップすることと、空冷ファン用電源を用意するぐらいである。

 レーザー発射という本道に関する限り、dsPIC のプログラム次第で完成という段階に達した。

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2020年7月28日(火) 21:21

AD変換は悪くない

 ふと思い付いて、光出力モニターの代わりにエネループ2本を接続してみる。

 わざわざ実際のレーザー銃に接続しなくても、AD変換が正常などうか確認するなら電池を接続するだけで分かる。
 2468と表示されているのが結果で、明らかにエネループ2本直列の電圧に合致している。値自体も、そこそこ安定している。ボリュームを回しても、値が動いたりしない。

 意外にも、AD変換には問題無かった。
 だとすると、異常はコネクター絡み?

 エネループを外そうとして、過熱しているのに気付く。しまった!短絡させてしまった!

 爪楊枝を指で押さないと、AD入力の+とGNDが短絡している。つまり、そこに接続したエネループも短絡する!

 ということは、本来の光出力モニターも短絡させてたってことじゃないか。
 オペアンプの出力には100Ωを挟んであるので、破損はしていないはずだ。それでも、明らかな設計上の見落としである。これで計測不良が発生したというのは因果関係が説明できないから無さそうだが、プラグを差さない場合に短絡する仕様は不適切だった。

 基板を取り外し、短絡しないように修正する。
 しかし、新基板は基本的に機能している。だからと言ってエポキシで保護すると流用も修正も困難になるので、パターン面に防湿コーティングを塗るだけにしておく。

 基板を取り外した隙に、筐体の一部を切除。これで、基板を外すことなくプラグを差せるようになった。

 筐体外装に薄板を接着すれば、最終的に穴を塞ぐことはできる。

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2020年7月27日(月) 21:09

肝心の値だけ取れない

 DCコンバーターは、希望スペックのものを店頭で入手できるとは限らない。スペックの可能性は非常に広く、店頭には超メジャーな一部スペックしか置いていない。つまり、入手までに時間を要する。
 そこで当面は、容量不足が懸念される現在の電源で、だましだまし試験を行う。消費電力を少しでも減らすため、温度計は外しておく。

 各種スイッチ類やセンサー入力が、ちゃんと取得できていること。クロストークが発生していないこと。この2つは、確実に確認せねばならない。中でも重要なのが、光出力モニター。だが、最小限の配線長で済ませるよう製作したので、実験段階では配線延長せねばならない。
 2.5ミリのモノラルプラグをコネクター代わりに使ったが、これはコネクター部分の占有空間が巨大という欠点がある。まずいことに、筐体との空間が思ったより狭く(いやコネクターが思ったよりもでかく)、コネクターを刺せない。基板全体を外した状態で無いと差し込めない有様。
 筐体をバラさない限りはコネクターを差し直す必要はないので、最悪基板全体を外して抜き差しという仕様でも仕方ない。だが、試験時は本当に不便。

 おまけに先走って、コネクターを差していないときはGND短絡になるよう製作してしまった。
 イヤホン用コネクターなので、プラグを差していないときは+側接点が別接点に接するようになっている。イヤホンを差していなければスピーカーから音が出て、差すとスピーカーは鳴らなくなる・・・などという機能を機械的な仕組みで実現させられる。それを流用し、プラグを差していないときは入力+がGNDに短絡してAD入力値を確実に0にするよう製作したのだ。
 だが最終的にはそれで良くても、実験中は困る。延長イヤホンが無いし、あっても簡単に抜き差しできない。だから延長配線をハンダ付けしたが、プラグが刺さっていないからAD入力は常にゼロ。

 爪楊枝を突っ込んだが、長い爪楊枝では差せない。短い爪楊枝はバネの弾力で斜めになり、接点を押し上げることができない。
 突き出した爪楊枝の先を指で押さないと、光出力モニター値を取得できないのだ。
 コネクターの延長1つで、これほどの騒ぎになってしまった。

 何とか実地試験が可能となり、レーザー銃を発射する。だが、光出力は少し上がっただけで止まる。ミリボルト表示なら1600から1700になるはずが、300〜400から上にならない。しかも、ボリュームをMAXまで回すと0になる。
 出力ゼロでも、100未満の値が出ている。ノイズが多い、では済まされない。明白に「無茶苦茶」だ。
 しかも、光出力以外の「温度」「ボリューム」「電流1」「電流2」は想定通りのマトモな値が取得できている。

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