モータの鳴らし方byHanDen

7月26

ブログURL変更について

HanDenです。本日私の独自ドメインhanden.netを取得しました。
それに伴い、本ブログのURLはhttp://vvvf.blog.jp から http://blog.henden.netに変更しました。
旧URLからのアクセスの場合は自動転送されますがブログの内容に変更はございませんのでご安心ください。

2019年07月26日22:58
hanwaelectrail

5月20

MakerFairKyoto2019に出展してきました

前回のNT京都に引き続きMakerFairKyoto2019にも出展してきました。
場所が場所なだけにMakerFairとは言え人が来ないのかなあと思ってたら、ものすごい数の人が来られてびっくりというのが第一感想です。

人が多くて周りの展示はざっくりとしか見れなかったので今回は写真がほとんど無いという事実…
なので出店レポもざっくりです。

まずは事前に届く出展者タグ。当日はこれを首にかけて展示をします。入場料が必要なイベントならではというかMakerFairならではなシステムですね。出展者としては記念になるのでうれしい。

会場に到着したら大きいバスにMakerFairKyotoの横断幕。バス自体はどうやらOMMFで使われてる車両っぽいですが、バスにイベント名の横断幕とは思わなかったです。

MakerFairなのもあるのか出展者紹介も主催者側から用意されていました。

そしていつも通り展示準備完了。

しばらくは客の入りも少なくて、やっぱダメかあと思ってたら入口で大渋滞してるとの情報が…

めむくろ@MEMchro
MFTかよ！？って長さの入場列になってて笑ってる #MFKyoto2019 https://t.co/tiCyYzgJUw
2019/05/04 12:02:08

しばらくするとものすごい数の人が来ました。大阪のメイカーズバザールを優に超えるような勢いだったので説明もかなり疲れた…

1日目が終わった後は懇親会に参加しました。いろいろと強い方のお話を聞けて面白かった。
そして2日目も会場に来て展示。2日目は1日目よりは少し人が少ないかなあって印象でした。
なので周辺の展示を少しですが見れました。
周辺の方々の完成度やっぱり高いし、NTとは雰囲気も全然違いましたね。Twiteerネタに乗る傾向があるNTに対してIoTとかのブームに乗った作品が多い印象です。

そして、撤収ですが、周囲のNT勢の片付けの速さは安定。自分はいろいろ分解するので一般メイカー並みに遅いという…

帰る途中にこんなものを見かけたり…

展示した感想としては多くの人に見てもらえてすごくうれしいけど忙しくて他の展示を見れないってところです。次は楽器系で合同展示したいなあ…
展示レポはざっとこんな感じにしておきます。BLDCの解説記事早く進めないと…

2019年05月20日18:11
hanwaelectrail

4月2

NT京都2019に出展してきました

前回のNT名古屋に出展してから約半年、その間に大垣miniMakerFairとかNT加賀とかつくろか!とかありましたが学会の準備の関係で出展できず…時間を確保できるようになって半年ぶりの出展です。
NT京都は自分が初めて出展した展示会で特徴が強いNTイベントの中でも特に特徴的な展示会です。
今回はその一部始終の記録です。

NT京都は西院の春日幼稚園での開催なので阪急電車で行くのですが、少し後に快速特急なるものを見つけたので乗ってみることに。それが偶然新しい車両のデビューだったようです。

京とれいん雅洛の初列車らしく人が凄かった…

で会場に到着してセットアップ

他の展示会ならここから展示スタートって行くわけですがNT京都の場合は前日は準備日
準備日と言っても基本的には出展者同士の交流というかオフ会です。
他の展示物を見たり出展者同士で駄弁ったり、何かネタで遊んだり。

夕飯は安定のdominoピザパ

カップが何かおかしいとか突っ込まないw

目玉展示のましろちゃんと戯れたり

自分と同じMIDI楽器を集めてアンサンブルしてみたり

なんかあったり

いろいろとオフ会をして2日がメインの展示

展示終了後は片づけをしてもう一泊して帰宅しました。

2019年04月02日23:11
hanwaelectrail

3月11

製作日記4　BLDCモータを演奏してみた前編

ファンに続いて次はBLDCモータを演奏してみました。

BLDCモータは名前の通り整流子(ブラシ)のないモータでモータ自体は3相の同期電動機の一種です。ですので、制御を工夫すれば割といろいろなことができるのです。今回は作品を作るにあたって試した制御方法(主にパルスモード)のお話をしたいと思います。

まず初めにBLDCモータの駆動原理を紹介します。BLDCは普通のブラシモータやファンみたいにモータの端子に電圧をかけるだけでは全く駆動しないばかりか、過大な電流が流れて場合により電源回路やモータなどが破損します。BLDCではブラシの代わりに制御回路でモータを回転させるパルスを作り出す必要があるのです。

まずはモータの駆動方法を紹介します。

BLDCモータは下図のような構造です。

モータの回転軸には永久磁石、固定部に電磁石(コイル)が配置されています。回転部に電流が流れないのでブラシが不要になるというわけです。そして、固定部（この図では外周部）の電磁石にU→V→Wの順に回転するように電流を流すと、回転軸(この図では内部)の磁石が電磁石に引き寄せられる(反発する)ようにして回転を始めます。

具体的にはモータの各端子に以下のように電圧を印可させるとBLDCモータは回転を始めます。

印可されてる電圧は矩形波の三相交流です。BLDCモータは三相の同期電動機と同じ構造のためこのような波形で駆動するというわけです。ここでは、図の時間方向の1マス分を1単位として扱います。

BLDCモータは回転子の角度に応じて固定子の電磁石を制御しなければなりません。その制御の方法には大きく2つあり、1つは固定子の角度を読み取れるホールセンサが内蔵されたもの、もう1つはセンサが無くHIGH-Z状態端子に現れる電圧を監視し現在角度を読み取るものがあります。前者のモータの場合はセンサを制御マイコンに接続するだけ（プルアップ処理は要りますが）ですが、後者の場合周辺回路をいくつか組み込む必要があります。

なんですが、今回はBLDCでアクチュエータを動かすわけではなく音を奏でるのが目的です。演奏するには音階の周波数に合わせて電圧波形を生成するので回転角度を読み取ってもほとんど意味がありません。回転角度を読み取る制御にはコストがかかるのに加えて回転速度が音階に合わなくなる可能性もありメリットはほとんどありません。(脱調しないのはメリットですが…)そのため、今回は回転角度の読み取りは行いません。

次に演奏時のパルスモードです。BLDCを演奏する方法はファンや自作VVVFのようなモータの励磁音を利用する方式と、ステッピングモータのようなモータの回転音を利用する方式の2種類が考えられます。

まずは励磁音を利用するやり方です。励磁音を利用する場合でも回転速度を音階に関係ない速度にすると回転音がノイズとなってしまいます。そのため、回転速度と演奏PWMの速度を同期させたパルスを送る必要があります。パルス数は異なりますが自作VVVFの同期PWMと似たやり方です。実際の波形はこんな感じです。

この図の場合は1単位当たり2パルスでの駆動です。なお、出力される音は1秒間当たりのパルス数の音で1単位当たり2パルスの場合は回転数の12倍の周波数の音となります。

しかし、この方式の場合多くの音楽で使われる周波数帯域ではPWMの周波数が低いためモータが電流連続モードにならず過電流が流れてしまい、実運用ではとても使えるものではありませんでした…そのため、回転音を利用する方式へと方向転換しました

というわけで次は回転音を利用して演奏する方式です。

このモードではPWM周波数は高く設定し回転パルスとPWMを同期させません。自作VVVFでいうところの非同期モードに似たパルスモードです。この方式の場合はPWM周波数をモータが電流連続モードとなる10kHz以上にできるので過電流が流れにくくなります。

このモードではパルスの印可方法が2種類あります。本質的に大きく変わるものではありませんが…

1つめが非相補PWMモードです。

ローサイド側にはPWMを印可しません。また、ハイサイド側はPWMがOFFの時の出力はHIGH-Zになっています。

2つ目が相補PWMモードです。

こちらもローサイド側はPWMを印可しませんが、ハイサイド側のPWMがOFFの時はLレベルに落とします。

この2つの使い分けはMOSFETのゲート駆動電源の都合になると思います。ブートスタラップ方式で非相補PWMにすると1/3回転分(2単位分)の時間のゲート駆動に必要な電力をブートストラップコンデンサに貯めておく必要があるため、非常に大容量なブートストラップコンデンサが必要となり現実的ではありません。それに対して相補PWMモードにした場合はPWM1パルスごとに充電できるため1パルス分に必要な電力をブートストラップコンデンサに貯めこめばよいため一般的なモータドライバと同じ小容量のコンデンサで済みます。そのため、今回は相補PWMを使い回転速度で音楽を演奏するシステムにしました。

　なお、このパルスモードでは再生される周波数の音は実験を行ったところ回転速度の6倍(回転パルス数, 1秒間当たりの単位数)の倍の音が再生されました。

　パルスモードのお話は以上です。続きは後編です。

2019年03月11日23:53
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10月26

NT名古屋に出展してきました

カテゴリ:: 出展報告

7月のメイカーズバザールから3か月、10月はNT名古屋に出展してきました！

出展は3回目でNTイベントとしては2回目の今回はネタ作品を1つと前回からのCPUクーラの楽器を展示してきました。
近鉄の名古屋から降りて目の前には巨大なエンドミルが！

といっても、ここは会場ではないので、会場の中京テレビ本社へGo!

会場に入り

設営しました。

メイカーズバザールからも改良して箱を2つにしたので音量も大丈夫かなと思っていたのですが、マシになったとはいえ音量はまだ不足でした…これからも改良をと考えています。

今回のネタ作品はCPUクーラを演奏する楽器に合わせて、モタドラにCPUクーラを載せてファンをMIDIで演奏するという作品です。

上に載ってるCPUクーラでモタドラっぽくないですがモタドラです。ただ、CPUクーラ乗ってるインパクトがあったものの、前回まで使ってた基板も横に置いていたのでそっちの方がインパクトが強かったという結果に…

半年ぶりのNTイベントってことでいろいろと交流できてすごく良い経験になりました。そして、技術力がまだまだ必要だなと…

2018年10月26日23:11
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9月25

製作日記3　演奏基板やモタドラの通信システムの紹介

　今回はステッピングモータを演奏する基板以降で共通システムとして使ってる通信システムについて紹介します。

　私の作ってる基板は原則分散型の処理にしているため基板ごとにマイコンを搭載しています。そしてそのマイコンが乗った基板(スレーブ)をマスター装置から指令を与えて特定の動作をさせています。今回はそのシステムについてのお話です。

マイコンの通信機能

　一般的にマイコンに搭載されている通信機能はI2CやSPIそしてUARTなどがあります。この中でもI2CとSPIは標準でバス通信に対応していますが、I2Cは高機能ではあるものの基板内通信を前提に設計された通信のため基板外への通信となると安定性が悪化してしまいます。また、SPIはスレーブ1つにつき制御ピンが1つ必要となりスレーブの数が増えるとその分ピン数が増え不都合です。それに対し、UARTは標準ではマルチスレーブ機能に対応できませんが、RS485に比べると劣るものの基板外に出てもよほど長距離でなければ十分運用できる程度の通信の安定性があるのが特徴です。

アイデアの元

　システムを考えていた時にふと目に入ったのがシリアル制御のサーボモータでした。シリアル制御のサーボモータはRS485やUARTでありながらIDを指定することでマルチスレーブに対応できるのが特徴です。システム的にはI2Cにも似ているのものの、ベースはUARTやRS485というだけで信頼性は十分にあります。そこで、UARTをID指令式で運用するという方針でシステムの設計を行いました。

ハードウェア構成

　各基板同士を同一のシステムとして扱えるようにするためにハードウェアも共通化します。しかし、構造は非常にシンプルで回路図的には以下のような形です。

　使用感覚としてはUSBのような感覚で使えるようにするためマイコン駆動の電源と通信線を同一のコネクタにまとめています。これによりコネクタ1つでロジック側の電源確保と通信回路が構成できます。また、ピンサインもUSBに近い形として1番ピンに電源、2,3番ピンで通信、4番ピンをGNDとしています。

　また、配線量節約のため各基板に並列接続された2つのコネクタを設け数珠つなぎに対応させています。もちろんマスター側で分岐してからスレーブに接続することも可能です。

　データはすべてRXピンから受信します。TXピンは将来的な拡張用でデータ異常時に再送要求を送る場合や、マスターから指示があった場合にスレーブから情報送信を出来るようにしています。

通信プロトコル

　モタドラとして運用する場合の高い信頼性と演奏システムとして使う場合の大量送信を行うことを考え、連続的にデータを送信できてかつ受信データ抜けがあってもその後の通信には影響を与えないシステムを前提とします。そのため、特定のバイト数ごとにIDを送信するといったシステムは読み飛ばしなどで正しく動作しなくなるためＮＧです。つまり、何かしらの方法でIDデータを区別できるようにする必要があります。しかし、IDの前に間隔を置くと連続送信ができなくなるのでNGとします。

　この条件をまとめると各データがIDなのかそうじゃないのかを区別する方法を考える必要があるというわけです。

ここで使うのが、MIDIのシステムの考え方です。MIDIは先頭のbitでチャンネル情報かそれ以外の情報かの区別を行っています。これと同様に先頭のbitが0か1かでIDデータの判別を行い。それに続くデータを送信内容(スレーブに送るデータ)にします。これにより、データの読み飛ばしがあった場合でも次のデータからは正しく読み込めるほか、連続したデータ送信にも対応できます。

bit番号	7	6	5	4	3	2	1	0
内容	ID判定	データbit {bit7 = 0 : 送信データ bit7=1:ID}

このような構成にすることで複数バイトのデータ送信も簡単にできます。また、モタドラと演奏などIDごとに機能が違ってデータバイト数の違う基板を混在させることもできます。

さらなる信頼性向上

　演奏の場合は通信速度の方が重要なので以上で紹介したシステムでデータ送信をしていますが、モタドラモードの場合はデータの化けやマスター側のトラブルなどで暴走などが起きると大問題になります。そのため、信頼性向上のためにさらに通信を拡張させています。拡張内容としては以下の2つです。

・パリティーチェック

・ウォッチドッグタイマー

まず1つ目のパリティーチェックについて紹介します。

　このシステムでのパリティーは送信データ(ID以外)の各データをXORのbit演算を行ったものとしています。

まずは、マスター側で送信する各データをXORでbit演算し送信データの最後に付加します。

続いてスレーブ側では受け取ったデータをXORでbit演算し最後に送られてきたパリティーを比較して同一かの判定を行います。もしも異なった場合はそのデータは破損データとして無視する設定にしています。データ破損の場合は再送要求をするなどでさらなる信頼性向上も可能です。

続いてウォッチドッグタイマーです。

　こちらは一定時間ごとにデータを送信し、一定時間以上データが途切れた場合にモータを停止させます。しかし、各モータの制御信号をウォッチドッグタイマリセット用に毎回送るとデータ量が非常に増えてしまいます。そのため、ウォッチドッグタイマリセット用のIDを別に作り、そのIDをマスターから送ることでデータ量を削減しています。スレーブ側は解除IDを受信すればウォッチドッグタイマーをリセットします。

以上で自分の演奏システムとかの通信関連のシステムとなります。

2018年09月25日21:26
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9月23

KiCad編　KiCad5.0対応について

本ブログの記事はKiCad4.0.7をベースに記載を行っています。KiCad5.0になっても基本的な機能は同様に使うことができますが、一部異なる機能があります。以下現在確認済みの異なる箇所を記載します。

KiCad編　第1回　ライブラリ参照箇所
4.0.7は既定ではGitHubn参照→5.0では既定ではローカルライブラリ参照（筆者環境)
ライブラリ名にも変更があり。

KiCad編　第5~8回
　KiCad5.0では初回起動時にGPUのアクセラレーションに関する質問がありOKを押すとデフォルトでモダンツールセット(4.0.7のデフォルトはレガシー)になり、配線関連で機能追加や変更があります。特に第6回の自動配置関連、第7回の配線のドラッグや削除関連および押しのけ配線などに変化があります。
ブログと同様に近い方法をで作業を行いたい場合は「設定」メニューから「レガシーツールセット(s)」に変更してください。ただし、第6回の自動配置の機能は使えなくなっています。

また、その他項目名やアイコンに変更がありますが、それらは似たものを選択すれば基本的には使えると思います。

2018年09月23日23:12
hanwaelectrail

7月9

メイカーズバザール大阪2018に出展しました

カテゴリ:: 出展報告

作り方系の記事がひと段落してから全然更新していませんでした。
この間にいろいろあってnameの方を略称のHanDenを正式にしたりとかありましたが、生存しております。

今回はNT京都以来の展示ということでメイカーズバザール大阪2018に出展してきました！

まずは作品の改良点から
　前回の展示でほとんど音が聞こえないという問題があったので、音量改善対策として木箱を作りました。

静かな部屋だとうるさいぐらいに音量が改善したので、大丈夫かなと踏んでいたのですが…詳細は後程

そして、直前に紹介用に重層基板の最適化して1枚にしたものを作りました

この基板1枚で

この現行の基板3枚と電源基板の分の機能を持たせたのにも関わらず、表面の空きを大きくなったので最適化は偉大です！（表面実装採用で裏面にも実装したというのも大きいですが）

　作品の改良点としてはこの2つです。

　前日、大雨で電車が動かず、作品を置いてる場所から回収ができない疑惑が発生。結局地下鉄で出向いて何とか回収できましたが心臓に悪かったです。

　当日も電車が止まっていて振替で展示会に出向いたりとばたばたしましたが、何とか展示の準備が完了できました。

当日の写真これしかないです…

　準備中に演奏した時はうるさいかなってぐらいの音が聞こえていましたが、実際に来場者が入ってきて展示が始めると、立った状態だと音がほとんど聞こえないという問題が発覚。机の高さだと少し離れても聞こえているので音の指向性が出てしまったのだと思います。

まあ、こんな感じで展示をしていろいろと交流をして濃い2日間でした。Nico-Techと違ってまじめな作品が多くて戸惑ったところもありましたが、いい経験になりました。

次回の展示は用事が被らなければNT名古屋を予定しています。