前回は高電圧でいろいろと問題を起こしてしまったので、今回は低圧で音を奏でることが可能なステッピングモータを演奏することにしました。前回のVVVFでモータにかける電圧を上げると音量が大きくなることが分かったので、今回は30Vまで印可できる仕様に、そして電流も過電流に耐えるように、駆動部はICを使わずにディスクリートの部品を使うことにしました。そして、シリアル通信を使って、和音の再生も可能にして、音楽をよりきれいに再生できるように考えてみました。
まずはシステムの構成から
システムとしてはマスターのArduinoに音楽信号を保存するかPCから音楽のデータを受信し、その信号をマスターArduinoに接続されたstepVVVFにID信号を合わせて送信します。自分と同じIDのデータを受信したstepVVVFは受信したデータから周波数を読み出し、その周波数で演奏を行います。IDを変えることで演奏先を変更できます。また、ゲート駆動用の電源は、駆動用の電源電圧が12V~14Vの時は接続を不要にしているため、12Vでステッピングモータを駆動させる時は配線が2本のみで済みとてもスッキリとしています。
まずは回路の設計を始めます。
前回はゲートドライバにIR2110を使いましたが、デッドタイム自動挿入機能がないという欠陥がありました。今回はRSで安くてかつ出力電流が大きめ、そしてデッドタイムの調整が可能という面白いゲートドライバ「L6384E」を使用することにしました。
ということで6384Eの英語のデータシートを端から端まで読んでみることに…
内部構造はこんな感じと… どうやらブートストラップダイオードは内蔵されていると… そして入力はプルダウンでSDはプルアップっぽくなっていると
ピン配置はこんな感じで入力ロジックレベル的には、5Vあれば十分で、SD/DT端子に0.5V以下をかけると出力がシャットダウンされると。他は特に注意する点はなさそう
SD/DT端子に接続する抵抗器の大きさでデッドタイムが設定できる模様。今回は250nsと200nsの中間をとって100kΩにすることにしました。
そして最初は気が付かなかった個所が、その下で、Vccth1,2です。上の方の定格のところに電源電圧が0.3~14.6Vって書いていたので、この範囲なら動作するんやなあーと思っていて、電源の電圧を9Vにしたら動作が止まって？？ってなって調べてみると、電源電圧が一定を下回ると自動的に出力がダウンされる機能がついていたことが判明したのです… (あとから考えれば内部の半導体が、電圧が低いと動かないとかゲート電圧が落ちるとMOSFETの発熱が増えることへの安全対策かなあと…）
そして、アプリケーションノート（http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/5c/00/05/fd/e5/65/46/97/CD00004008.pdf/files/CD00004008.pdf/jcr:content/translations/en.CD00004008.pdf）を読んでいると、１８ページくらいに周波数が低い時で大容量のコンデンサをつける場合は外付けのダイオードを取り付けることを推奨するみたいなことが書かれていたので、一応、ブートストラップダイオードは取り付けることにしました。（100Hzでの駆動を想定して、ゆとりを持たせるとコンデンサが10uFになったので…）
ゲート抵抗とかその辺は適当に選びます。フォトカプラは前回と同様にTLP785を使用しましたが、スイッチング速度改善のために、プルダウン抵抗を680Ωに変更しました。（本当は高速なフォトカプラを使うべきなのですが…）
マイコンにはArduinoUNOにも用いられているAtmega328Pを使い、周辺回路もArduino準拠にして、プログラムをArduinoでも書けるようにしました。また、デバッグ用のLEDも4つ、電流センサ等に使えるアナログ入力を2つ搭載しました。今回は複数基板を数珠つなぎにするので、シリアル通信は、RXは通常通り配線しますが、TXは並列接続できないので、適当なピンでソフトウェアシリアルにすることに…
MOSFETは秋月で1つ５０円で売られていたEKI04027を採用。耐電流は放熱板なしで計算して、約24Aでした。普通のICのモジュールと値段が大して変わらないのにこの耐電流はすごい… おかげで540モータも演奏できることに ポリスイッチは12A遮断を2つ並列で24A遮断にしました。
そして出来上がった回路図がこちら
続いて、プリント基板を設計
前回設計したstepVVVFは基板がスカスカであったのに、部品同士の干渉があるなどの不具合があったので今回は反省して部品同士が正しく取り付けられることを確認しながら設計することにしました。そして、前回に比べて大幅な密度アップをしました。
ついでにマイコンの書き込みボードも搭載しています。
３Dビューがこちら
前回までの基板と比べると、大幅に高集積になってることがわかると思います。
このデータをElecrowに発注。
今回も黒色基板にしました。（左の基板は次の工作の分）
これを実装するとこんな感じ
ポリスイッチがしばらく届かなかったので、とりあえずはジャンパー線で代用しました。
実は今回はコスト削減のために部品を一部をebayで購入したので、届くのが遅かったのです…（実は当初はMOSFETもebayで購入していたのですが、偽物が届いて急遽MOSFETを変更して、ポリスイッチも変わったという…）
続きは次回
