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2019年11月の記事

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2019年11月25日(月) 21:44

電極銅板

 電極銅板に、FETのドレインをハンダ付け。

 モーター用配線もハンダ付けせねばならないので、全面ハンダメッキを済ませてある。
 裏側は放熱面なので、ハンダメッキは行わない。

 ゲート端子が電極に接しないよう、一部に切り欠きが必要。ドリル戦車用より実装が容易とはいえ、表面実装用パッケージなので厄介。

 GND用電極にもゲート端子回避の切り欠きを設け、それにより曲げ易くなてことも利用して折り曲げる。

 旧ドライバーでは、最終的な形状を一気に板金しようとして適切な工作が困難となった。今回はその反省に基づき、現実的な作業難易度に収めることを優先。

 ここまで、基本的にフリーハンド。銅板が柔らかく曲げ易いから、何とかなっている。

 GND銅板に、FETのソースをハンダ付け。

 旧ドライバーのときに比べると遥かに作業し易いものの、折り曲げ量が少なかったこともあり少々厄介。ゲート端子を短絡させないよう、くれぐれも注意せねばならない。

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2019年11月24日(日) 21:35

パーツ回収

 使えるパーツを回収するため、さっさとバラす。

 オートウエルドで固めてあるため、多くのパーツは再利用できない。しかし、中央の+電極は無事に再利用できそうだ。これは単純な形状の割に再製作の手間が馬鹿にならないので、最優先で回収したかった。だからこそ、躊躇わずバラせたのかもしれない。

 それ以外の電極板は、新規に切り出す。

 ネジ穴の開いている銅板は流用可能だが、あえて流用しない。というのも、ネジ穴を開けたのは失敗だったと思っているからだ。
 ここは絶縁必須なのでポリカーボネイト製のネジを使用せざるを得ず、金属ネジのような強度は出ない。それなのに、ネジの存在はパーツ実装時に大変な邪魔だったのだ。それならネジは使用せず、導熱性接着剤とオートウエルドにより固定が勝ると考えた。

 またGND電極も、一体化にこだわって加工困難な形状にしたのが最悪だった。余分なハンダ付けを容認することで、遥かに良好な仕上がりが期待できる。

 走行用モーター配線は明らかに長目な実装になっていたので、根元を切断し再利用へ。1センチほど短くなるが、問題がない。

 リポバッテリー用の電極も、+側だけはそのまま回収できた。GND側は根元がオートウエルドに埋もれている上に長さの余裕は無いので、断念。
 その他、大電流用コネクターは長さ不足を痛感していたので、新品で取り付け直すしかない。

 より小型の電源コネクターは、再利用できそうなら再利用する。だが、再利用にはこだわらない。

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2019年11月23日(土) 23:59

最新FET

IRL7472L1(ドリル戦車用)の性能

典型ON抵抗 最大ON抵抗 定格電流
ゲート電位差4.5V 0.52mΩ 0.70mΩ 98A
ゲート電位差10V 0.34mΩ 0.45mΩ 195A
耐電圧 40V
ゲート電位差 ±20V
連続耐電流 375A
パルス耐電流 1500A

 ドリル戦車用FETは、5個しか回収できていない。

 2つは放熱銅板にハンダ付け済みで、大電流のスイッチ用として使用可能。残る3つは、FET単体で外されており、ハンダ付け至難のゲートだけ配線あり。
 単に表面実装用というだけでなく、ソース端子がゲート端子に囲まれているという物理的形状のせいで実装が極めて難しくなっている。だから、銅板付きを実験用に1つ使用するのはアリとして、Hブリッジに流用するのは難しい。この銅板のままでは、Sタンク用の空間には収まらない。

 更に、保存状態も悪く、10年単位で愛用したいラジコン戦車の走行用に使うのは憚られる。この状況なら、新品を調達すべきだ。
 しかし、新品を調達しても実装が至難なのは変わらないし、かと言って秋月で調達したFETでは、ゲート電位差を確保できない。

 そこで、ゲート電位24V以上が可能であるか、もしくはゲート電位差5Vでのスイッチングに対応しているFETを、新たに探してみた。

 その結果、ほぼ同等の性能で実装し易いパッケージのFETを発見できた。


IPT004N03Lの性能

典型ON抵抗 最大ON抵抗 定格電流
ゲート電位差4.5V 0.44mΩ 0.5mΩ 150A
ゲート電位差10V 0.37mΩ 0.4mΩ 150A
耐電圧 30V
ゲート電位差 ±20V
連続耐電流 300A
パルス耐電流 1200A

 重要なのは、ゲート4.5V(5V系ロジックによるゲート操作を想定)における、ON抵抗の低さである。他の性能では少しだけ劣るが、5V操作に限定すれば上回っている。ハイサイドのゲート電位差を大きく取れないため、5Vにおける性能低下が小さいのは決定的だ。
 この程度の性能差なら、ローサイドにTLP250を組むまでもなく、マルイのバトルタンク同様のPIC直結で実用になるだろう。

 定格150Aは、モーター軸がロックしても大丈夫な値であり、大きな安心感がある。

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2019年11月22日(金) 22:41

作り直し

 MCCでピンアサインだけを入れ替える。

 これにより、ハードウェアを一切変更することなく、ローサイドとハイサイドの役割を入れ替えできる。ソフトウェアの手直しは必要だ。タイプミスで貫通電流やらかさないよう、細心の注意を要する。もっとも、もはや貫通電流のダメージはそれほどでもない。どっちみち、丸ごと作り直しだ。

 入れ替えて540モーターを動作すると、明らかに症状が改善された。2モーター合成でも、かなりうまく動きが合成され戦車の走行状態をイメージできる。
 しかし、モーターの動作不良が完全に収まった訳ではない。無視するには、余りにも動作内容が悪過ぎる。全く、実用にならない。

 合成動作を見ていて、旋回用モーターのPWM周波数を更に下げたらどうなるか気になった。作り直す前に確認可能なことは、確認しておきたい。
 PWM周波数を8Hzに落とすと、30Hzの時よりも周波数が上がった気分になった。毎秒8回というのは体感で楽に分離できる速度なので、周波数が高くで持続時間が短い・・・というのが毎秒8回発生しているように感じられるのだ。

 ならば、中間的な15Hzならどうだろう?
 モノは実験だ。試すと、モーターは全く動かない。いや、電源が入っていないようだ。これまた、類例が記憶にある。12/24V を供給するための DC-DC コンバーターが壊れて、出力がゼロ。
 前回は DC-DC コンバーターの初期不良と判断したが、2度目となると不良品の確率は下がる。設計ミスの確率が、上がる。

 24V は、ハイサイドの三端子レギュレーター入力に接続している。その入力にはコンデンサーが付いている。つまり、ハイサイド側の電位変動により、チャージポンプとして働く。これは、DC-DC コンバーターの 24V 出力に、24V より高い電圧が加わることを意味する。
 それにより、壊れたのではないか?
 DC-DC コンバーターの出力に、ダイオードを取り付けるべきだったのだ。

 付随して判明したのは、FETの能力は足りていそうだということ。モーター動作確認のため、そこそこ長時間動かしたが、FETの発熱は小さい。モーターに大電流が流れるのはロック状態のときで、通常の使用状態では極端な電流は流れない。最大電流には短時間耐えられれば実用上は大丈夫で、熱処理的には製作は成功していたと思われる。
 そうなると、作り直しを成功させるのに必要な条件は、ほぼ明らかだ。

 モータードライバーとシステム電源を作り直すのは大変な手間だが、この手の作り直しは完成度を大きく向上させてくれると分かっている。ラジコン戦車において、モータードライバーは重要ユニットである。それが当初の皮算用より高性能になるのだ、と考えれば再製作の士気も生まれる。
 再製作においては、ハイサイドのゲートドライブをどうするか考えねばならない。ここで思い出したのが、中止企画となったドリル戦車だ。そっちで使用するために購入したFETが、製作失敗で放置されている。過半は廃物同然だが、ハイサイドに必要な4個ぐらいなら回収可能な確率が高い。足無し表面実装用という工作困難なパッケージだが、性能は途轍もない。典型ON抵抗が0.34ミリΩしかない。Sタンク用に今回採用したFETの、3倍の性能を誇る。

 ただしゲート電位はやはり20Vまでなので、三端子レギュレーターを介さずに固定電位でハイサイドをドライブするには不足だ。このスペックでゲート電位30Vが可能なら最高なのだが。
 そう思ってデーターシートを確認すると、気付いた。確かに標準ゲートドライブが10Vという一般的仕様だが、4.5V駆動も可能なのだ。4.5Vだと典型ON抵抗は0.52ミリΩに増えるが、それでも現行採用品より遥かに上。最大ON抵抗も、0.7ミリΩ。これなら15V定電位でハイサイドのゲートドライブを行っても、充分なゲート操作電位を確保できる。

 ローサイドは今回と同じFETを使い、ハイサイドにドリル戦車用FETを流用。15V定電位によるハイサイド・ゲートドライブ。たぶんこれでバッチリ動作する。

written by higashino [Sタンク 1/16] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2019年11月21日(木) 21:15

衝撃の結末

 フェイスセーフ化は、ひとまず後回しにする。まずは、ハードを仕上げる。

 貫通電流が加わるようなソフトウェアのバグは無さそうなので、いよいよ本番用の540モーターを接続してみる。ヒューズも取り除き、大電流を扱う。

 260モーター同様に、540モーターも駆動できる。
 ただ、走行用モーターは低速時に回転の引っ掛かりがある。旋回用モーターは全域において問題なく、スムーズに速度変化する。
 いずれも超低速での回転が滑らかでない感じだが、基本的には問題なし。
 走行用モーターは、慣らし運転すれば良いだろう。

 回転方向の調整も不要で、このまま走らせられる。

 モーターを外し、ハードウェアの仕上げを行う。

 コネクター配線をオートウエルドで塗り込め、断線等のトラブルが発生し難いよう備える。マスキングテーブの剥がし残りがあるが、機能に影響はない。
 例によって余ったオートウエルドは、細部に充填しパーツ保護強化。

 硬化後、再びモーターを接続して慣らし運転開始。ところがここで、想定外の衝撃に見舞われる。走行用モーターを単独で動かしていると、確かに一部の回転数でだけ動作が引っ掛かる。また、旋回用モーターを単独で動かしても、何ら問題はない。
 ところが、両方のモーターを同時に動かすと、動きが正常に合成されない。いきなりモーターが停止したり、細かく振動したり。明確に、動作がおかしい。

 そう、照準用レーザーポインターが自動的に点滅したみたいに。


 2つのモーターをフルスロットルにすると、高確率でモーターが停止する。そして1秒おきぐらいにピクッ、ピクッと間歇動作。ソフトウエア制御では考えられない現象の一方、心当たりはあり過ぎる。ハイサイドの三端子レギュレーター容量を470倍に増やしたが、それでは対策不十分だった可能性が大。
 漏洩電流もあり、正確な挙動および安定条件が自明ではない。これは、やられた。ハードウェアの正常動作は確認できたと思い込んでいたが、実は動作不良だった。そしてオートウエルドでここまで固めてしまうと、一部修正など不可能である。

 思い切り、落とし穴にハマってしまった。
 もはや、丸ごと作り直すしかない。だがしかし、それならソフトウェアでの対策がどこまで有効なのか確認しておく意味はある。

 現状ではPIC左舷からローサイドをPWM制御し、PIC右舷からハイサイドをスイッチングしている。これを逆にして、ハイサイドをPWM制御するように変えたらモーターの挙動はどうなるだろうか?

written by higashino [Sタンク 1/16] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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