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コアレスモータ対応鉄道模型用コントローラの開発~その13・まとめ& 成績発表!!~ [模型]

2017年7月16日の日記

今まで,6種類の回路&基板を作って,最近,鉄道模型に使用されるようになったコアレスモータに対応するコントローラを開発してきました。

コアレスモータはトルクが大きい上,スロットがないためトルクムラも小さく,慣性質量も小さいので非常に低速からスムーズに動くと評判ですね。特にサイズも小さいので,日本の細い蒸機のボイラーにも収まるので,蒸気機関車用としてはこれからデフォルトになるでしょう。今までのコアつきモータだとどうしてもキャブ部分にモータを設置せざるを得ず,蒸機のキャブはモータで一杯,と言う状況で,下手するとキャブからおしりがはみ出している,と言うような状況でしたが,これも解消され,蒸機のキャブも普通の電車や機関車同様,シースルーとなっているのは見事です。

反面,ちょっと困った問題があり,iruchanも現用のTomix5001コントローラPWM改造版で運転したら,ラピッドスタートしちゃうのに驚きました。

最初,原因がわかんなくて,困ってしまいましたが,本機は201系運転用にスイッチング周波数を300Hzに切り替えられるようにしていたので,スイッチング周波数を300Hzにしたら,非常にスムーズに動くことに気づきました。

それで,コアレスモータにはスイッチング周波数を低くする方がよいのでは,と思ったのですがこれはこれで困った問題があり,201系のようにプーッと大きなスイッチング音がします。さすがに蒸機でチョッパ音はまずいよな~という感じでした。

しかし,このことからようやくコアレスモータ機がラピッドスタートになる原因がわかりました。

人間の耳に聞こえない周波数は20kHz以上になりますので,PWMコントローラはスイッチング周波数を20kHz以上にすることが多いのですが,その場合,コントローラの出力の素子の速度がついていかず,あまり低いデューティのパルスが出力できない,と言うことに気づきました。

詳しくは第4回に書きましたので,そちらをご覧いただきたいのですが,出力素子にバイポーラTrを使ったものはバイポーラ自身の蓄積時間などのせいで,1μs以下のパルスの出力は困難です。MOS-FETだと蓄積時間は存在しないので高速ですが,こちらはこちらで,ゲートと他の電極が絶縁されている都合上,キャパシタンス分が存在し,その容量を充電しきるまでMOS-FETはonしませんし,逆にパルスが切れるときはその容量に溜まった電荷を放出するまでoffしません。

なんか,ちょっと間の抜けた話,という気がします。MOS-FETは原理的に非常に高速でスイッチングできるのに,多額のお布施をしないと思ったとおりの御利益が得られない,と言う困ったちゃんなわけですね.....。

バイポーラTr自身の高速化を図るのは物理的に無理ですが,MOS-FETの場合はドライバ回路を挿入して入力キャパシタンス分に蓄積された電荷の充放電を高速化すれば高速でスイッチングさせることが可能です。MOS-FETはもとから入力容量Cissが大きいのですが,最近のものは2000pF以上あったりして,これじゃ充放電に時間がかかっちゃいます。

このため,プッシュプルドライバ段を挿入して高速化したPWMコントローラを発表しました。

もう一つ,前から気になっていたのは,PWMではなく,PFMでやってみたらどうか,と言うことです。

PFMは聞き慣れない言葉だと思われるかもしれませんが,Pulse Frequency Modulationの略で,1秒あたりのパルスの数でデューティを変化させようというものです。

PWMはスイッチング周波数は一定で,パルスの幅を変化させてデューティを変化させるのに対し,PFMはパルスの幅は一定で,パルスの数でデューティを変化させるものです。

見方を変えると,PWMはパルスのon時間を,PFMはoff時間を変化させるものなので,なんや,どちらも大して変わらへんやん,と思っちゃうのですが......。

実は大きな違いがあり,PWMだとデューティが低いときが苦手で,先ほどのスイッチング速度の関係であまり低いデューティ,つまり幅の狭いパルスは出力できません。

一方,PFMは最初に一定幅のパルスを出力できるようにしておいて,offの時間を可変するので,低デューティlは得意です。

これが鉄道模型じゃどういうことを意味するかというと......もう,おわかりですね。スローの時に非常に有利なのです。

一般のモータ制御の場合はPWMを使うのが普通で,世の中の可変速のDCモータはほとんどPWMで制御されています。ACモータを回転するインバータも同じで,新幹線もPWMインバータを使っています。

ところが,こういう場合はPFMは使いません。と言うのもこういうモータはずっと低デューティで使用することはありませんので。

電気機械でPFMを使うのはスイッチング電源くらいのもので,低負荷の時にバッテリーの消耗を抑えるために用いられます。スイッチング電源用のICが最近は増えてきましたが,ほとんどがケータイの充電用のもので,そういうものにPFMモードが付加されているものがあります。ごく低負荷の時はPFMモードに移行し,損失を抑えるようになっています。こうすればバッテリの寿命を長くできますよね。ただ,大電流時はPWMモードに移行するようになっています。

鉄道模型は起動時が命ですし,D51で貨物列車なんかを運転するときはそれこそ息も絶え絶え,というようなスロー運転をして楽しむ,なんてことが多いと思います。こういうときはPFMの方が有利です。

さて,と言う次第ですけど,今回はこれらの新たに開発した基板をケースに組み込んで実用化したいと思います。

☆PWM式コントローラ(PIC版)

PWM controller PIC版.jpg 調光つまみを設けました。

まずはPICを応用した高速コントローラから。こちらは従来の単一スイッチング周波数のPWM式コントローラですが,出力のMOS-FETに高速化のため,プッシュプルドライバ段を追加しています。また,調光用のつまみを別に設け,走行用のつまみを最低にしても前照灯&室内灯が点灯するようにしています。この方式はハードウェア版とも言うべき,テキサスのスイッチング電源用のTL494Cを使ったものとほぼ性能は同じと思います。ただ。これは調光機能がないので,ハードウェア版で調光機能付のものは次のKATO KC-1改となります。こちらも今回,ケースに入れました。

使ったケースはタカチのKC4-10-8GSで,サイズは100(W)×40(H)×80(D)mmです。こんなに小さいのにAC100Vを直接使えるようにしました。やはりACアダプタ式はアダプタが邪魔ですので。

ただ,電気的には小さいケースというのはまずいです。発熱もするので,あまり小さなケースに入れちゃうのは問題なんですけど.....。

PWM controller PIC版1.jpg 中はこんなのです。 

電源はイータ電機工業のBNS12SA-U1を使いました。サイズが小さくて助かります。12V,0.9Aの容量があり,Nゲージにはぴったりだと思います。  

☆KATO KC-1改


KATO KC-1改.jpg KATO KC-1改です。

次に,今でも人気の高いKATOのKC-1を現代によみがえらせたKC-1改をケースに入れて完成させておきたいと思います。

オリジナルのKC-1は1980年代に発売されたと思いますが,低周波と高周波の2波PWMを組み合わせたコントローラですが,非常に低速がスムーズで,また,古いパックなのに最新のコアレスモータ機もスムーズに動くと評判のコントローラです。一部の方は ”レジェンド” と評しておられるようです。

iruchanも,今年の春に中古を入手して,先日,電源を作ってテストしてみて,その性能の優れていることにびっくりした次第です。詳しくはこちらをご覧ください。

ただ,KC-1はやはり古い製品ですし,中古市場でも高価で入手困難なので自作してみたい,と言う方は本機をおすすめします。機能的にはほぼ同じです。また,KC-1は電源は別付けで,KM-1というのが用意されていましたが,それだと大きくなりますし,KM-1は入手困難なので本機は電源内蔵とし,直接AC100Vが使えるようにしました。まだKC-1が現役だった頃はスイッチング電源が一般的ではなかったため,トランスを使った非安定化電源としてKM-1が用意されていました。

こちらのケースはタカチのKC4-10-13GSにしました。PICのものより一回り大きく,130(W)×40(H)×100(D)mmです。やはり今回は基板が少し大きくなりましたので。でも,これでもKC-1よりはるかに小さいですし,電源ユニットKM-1まで必要だったことを考えると格段の小ささです。

KATO KC-1改内部.jpg 内部です。

使用したスイッチング電源はTDKラムダのVS10C-12を使いました。他社の小型電源より発熱が少ないようです。出力は12V,0.9Aで,Nゲージ用としては十分な容量ですが,今回,電流遮断型の保護回路を搭載していて安全なので,もう1ランク上の2A級にしてもよかったな,と思います。

なお,回路は少し,前回と変更しました。

KATO KC-1 mod 回路3.jpg 最終回路です。

2SD409.jpg NECの2SD409と交代しました。 

iruchanは昔から,古いものが大好きなので,半導体も古いものが好きですけど,コンデンサと嫁はんは,やっぱ新しい方がよいと思います......(^^;)。 

と言うことで,今回,以前からちょっと考えていたんですが,出力の素子をNECの2SK2412から手持ちのダーリントンTrの2SD409に交換しました。断然,性能的には2SK2412の方がよいのですが,やはりメタルキャンのTrが好きなので.....(^^;)。

なお,MOS-FETの回路にダーリントンTrを使うことは可能です。ただ,Trの場合は電流制御素子で,MOS-FETや真空管のようにゲート電圧で制御するのじゃないので,かならずベースには電流制限抵抗を入れる必要があります。1.6kΩがそれです。Q2の1kΩ,Q5の27kΩも同じです。よく,PICでダイレクトにMOS-FETを制御する回路がありますが,こういった回路にダーリントンTrを使う場合,ベースに数kΩの抵抗を入れてください。 

ただ,これは今回の研究テーマでも書いてきましたように,残念ながらバイポーラTrのスイッチング速度はMOS-FETに劣るため,改悪になっちゃいます。とりあえず,20kHzで最低デューティ2%(パルス幅1μs)が確保できるなら交換可能ですが,バイポーラだとギリギリです。今回,オシロで確認しましたが,2SD409でも最低デューティは1.2%となりましたのでOKです。

最低デューティ(2SD409).jpg 最低デューティです。

ただ,まだこの状態だと電圧が十分に立ち上がっていません。でも,ピークで6Vを超えているので,LEDもかすかに点灯しますけど。フルに12Vが出力されるときのデューティは2.25%でしたから,おまけで合格です.......(^^;)。

出力波形(2SD409).jpg 途中の状態です。

50Hzの低周波パルスの間に20kHzの高周波パルスが出るようになっています。オリジナルのKC-1は高周波の方が電圧が1Vほど高いのですが,本機はほぼ同じになるようにしています。 

メタルキャンTrだとTO-3型を使いたいですけど,TO-3だとIc>10Aのものが多く,さすがに大型すぎるので,TO-66にしました。金田式DCアンプで有名な2SC1161などと同じ形状です。本当言うとTO-66のMOS-FETがあればよかったんですが,さすがに世の中,そんなのはないようです。TO-3のMOS-FETは有名な日立のオーディオ用2SJ49/K134のほか,モータ用のが今でもまだあるんですけどね。 

ちなみに2SD409の規格は次の通りです。

      VCEO(V)  IC(A)    PC(W)    hFE

2SD409  100     5       30    4000

なお,MOS-FETの代わりにNPNのバイポーラTrなら何でも使えますが(できればダーリントンがよいですけど),発熱が多いので,このようにシャシーに取り付けるか,必ず放熱器をつけてください。たぶん,2SC1161も使えると思います。そんな人はいないでしょうけど。

リセットボタンは秋月でLED付という押しボタンスイッチがあったのでそれを使いました。LEDは接点と独立しているので,別に外から回路をつなぐと好きなように点灯させることができます。照光式SWはとても高いのですが,これはたったの150円なので助かります。

本当だったら赤色があるので,OCR(過電流継電器)が動作したら点灯する,と言う風にしたかったのですが,残念ながら赤は売り切れ! しかたないので青にしましたが,青だと異常を知らせるのじゃなく,正常なことを表示すると人は思っちゃいますので,今回はOCRが動作してないときに青く点灯するようにします。 

                                          _
これは簡単で,過電流検知に使っているR-SフリップフロップCD4043のQ出力を使えばいいはずと最初は思っちゃったんですが......。
                            _
ところが,CD4043はR-SフリップフロップのICなんですが,Q出力はありません。これがあると正常時にhighになっているので,青色LEDを点灯させることができるんですけどね。
 
う~ん,これだったら結構,入手が難しいCD4043なんて使わずにこの記事みたいにデュアルNORゲートのCD4001を使ってR-Sフリップフロップを作る方が簡単だったな~。
 
しかたないので,CD4043には4個のR-Sフリップフロップが入っているので,贅沢にもう1個使って,こちらは論理を逆にして,正常時にQ出力がhighになるようにして,それに青色LEDをつなぎました。
 
なお,リセットスイッチに用いる押しボタンスイッチはモーメンタリを使います。押しボタンスイッチには2種類あって,モーメンタリとオルタネイトがありますのでご注意ください。押している間だけonとなるのがモーメンタリで,1回押すとon,もう1回押すとoffになるのがオルタネイトです。こういうリセットSWにはモーメンタリを使います。ここにオルタネイトを使うとずっとリセットしっぱなし,と言うことになりますので。それって,ATS解除したまま走るのと同じことです.....怖っ!!
 
RESET.jpg 正常時。とってもきれいです。
 
正常に動作しているときはRESETボタンの青色LEDが点灯します。なかなかかっこよいです.....(^^)。
 
と言うことで褒めようかと思ったのですけど,残念ながら,裏からねじで固定するタイプじゃなく,スナップインになっていて,取り付けるのは簡単なんですけど,手で簡単に回っちゃうので減点! そのうち,はんだづけした電線が切れるな......orz。
 
また,走行用or調光用つまみを回すとMONITORのLEDが点灯します。これは出力パルスで点灯するようになっています。
 
OCR動作.jpg OCR動作時
 
出力をショートするとOCRの赤いLEDが点灯します。同時にMONITORとRESETのLEDが消えます。
 
本機の保護回路は本家のKATOのKC-1同様,完全電流遮断式になっていて,過電流を検知すると出力を0にしますので,非常に安全です。再度,RESETボタンを押さない限り,パルスは出力されません。これに対し,いつも使う電流制限式や最近よく使われるポリスイッチ式のものは電流を最大値に制限するだけで,たとえば動作電流1Aとすると,ずっと1Aを流し続けますので,危険です。機関車が止まってしまったら,すぐにつまみを絞ってください。
 
KATO KC-1 & KC-1改.jpg 本家のKATO KC-1と。
 
サイズ的には少し小さいくらいですが,KC-1改は電源を内蔵しているので,直接AC100Vが使えます。
 
オリジナルのKC-1については,こちらの番外編をご覧ください。
 
実を言うと,その番外編のあと,パイロットのLEDをオリジナルのからピンクに替えちゃいました......。iruchanはパイロットランプはピンクにすることに決めているので。ちょっとおしゃれでしょ!? もちろん,80年代にはピンクなんて色のLEDはなかったわけですが.....。
  
☆PFM式コントローラ 
  
最後はPFMコントローラ。すでに基板だけの状態の時に試運転して性能を確かめていますが,驚くほどのスロー性能で,今後の鉄道模型用コントローラの方向性を示唆するものと勝手に思っています......(^^;)。
  
PFMコントローラ.jpg KC-1改より一回り小さいです。 
 
PFMコントローラは同じくPIC版タイマIC555を使ったハードウェア版の2種類開発しましたが,今回,やはりPIC版にしました。PIC版はさっきのケータイ充電用スイッチング電源ICのようにPFMとPWMのモード切替式になっています。もっとも,こちらは負荷(電流)の大きさじゃなく,スイッチング周波数の値(最大100kHz)で切り替えるようにしています。やはりこう言うことはPICなどのマイコンでないとできませんね。
 
PFMとPWMの2モードができるようにソフトを組みました。それぞれ,LEDでどちらのモードか,表示するようにしています。通常はPFM&PWMモードにしておくと,低速時にPFM,高速時にPWMに切り替わります。デューティで言うと10%で切り替わりますが,つまみの位置は大体,▲の写真の位置くらいで切り替わります。もちろん,フルPFMモードにも切り替えることができます。
 
PFMコントローラ内部.jpg 内部です。
ケースと電源はPWMコントローラ(PIC版)と同じです。
 
PFMコントローラ+DD13.jpg 初期のKATO DD13と。
 
30年以上前の製品ですが,今でもとてもスムーズに走ります。
 
なお,後日,出力の素子をKC-1改同様,バイポーラTrの2SD409に交換しちゃいました......(^^;)。
 
というのも,右側の側面に不審な穴があると思います。これって......実を言うと,本当はこのケースはKC-1改に使うつもりで,それ用の2SD409のための穴が開けてありました。ところが,ちょっと基板が大きかったので別のケースにしちゃったので,この穴が開いたままなんです。
 
かっこわるいので,こちらも2SD409に交換しちゃいました。
 
PFMコントローラ(2SD409).jpg 2SD409に交換しました。
 
ただ,予想どおり,性能は悪くなります。やはり,もし,自作しよう,と言う方はMOS-FETのご使用をお勧めします。
 
最低デューティ(2SD496 PFM&PWM)1.jpg 最低デューティです。
 
最低デューティはMOS-FETの場合は0.6%くらいでしたが,予想どおり,2%台に悪化します。
 
最低デューティ(2SD496 PFM&PWM)拡大.jpg 波形の拡大です。
 
やはり,同じPICの信号をくわえても出力のパルス幅は倍くらいになりますし,波形も崩れています。
 
ただ,最低デューティは2%台だったので,これならコアレスモータも動かないので合格です。
 
     ☆          ☆          ☆
 
さて,いよいよ次は成績発表!!
 
 
すべてコアレスモータ機には対応します。ラピッドスタートじゃなく,非常に低速からスムーズに起動します。また,常点灯にも対応していますが,コアつきモータの場合はいずれも問題ないですが,コアレス機の場合,PWM式はちょっとクリティカルで,前照灯は点灯しているけど,機関車は動かない,という状況に止めておくのは結構苦しい感じです。PWM式だと非常にこの範囲が狭く,ボリウムをちょっと回しただけで機関車が起動してしまう,という感じです。
 
理由は▼です。
 
LEDが点灯するデューティ比が2~3%くらいですが,第4回に書きましたように,コアレスモータ機は最低,4%くらいのデューティでもう起動してしまうんです。
これはやはり厳し~い!!。
ところが,PFMコントローラの場合,非常にデューティの変化は緩やかで,たとえ,2~4%の間にボリウムを止めておく,と言っても非常にこの範囲が広く,PWM式に比べて常点灯の範囲は広いです。それに,そもそもボリウムを0の位置にしてもPFMの特長としてパルスは常に出力されているので,最初から常点灯になっています。
 
と言うことで成績表です。ドキドキ。
 
            コアレスモータ対応  常点灯  スロー運転  使いやすさ 
 
PWM式(PIC版)               3                4                4   
PWM式(TL494                   3      4        5
KATO KC-1改                    4                5                 4 
PFM式(PIC版)                                            5                5                 5
PFM式(555版)                              5                5                 4
Tomix 5001PWM(PIC版)                         5                4                 5     
 
大体,こんな感じだと思います。やはり,純粋なPWM式はコアレスモータの場合,少し苦しく,常点灯の範囲が狭いので運転するときに少々面倒な感じがします。
 
反対にPFM式は非常に優秀で,つまみを0にしてもちゃんとそのまま前照灯が点いたままなのは見事です。KATOのKC-1改やPWM式でもPICを使ったものはこのようにできますが,最初に前照灯が点いているけれど,機関車は動かない,と言う位置に調光用つまみを調節する必要があります。
 
と言う次第で,iruchanはPFM式がベストだと考えています。
 
今年1月から半年にわたって研究してきた鉄道模型コアレスモータ用のコントローラの開発はこれで完了です。無事に技術開発成果を報告することができました。どうも長い間,ご愛読ありがとうございました。
 
2017年7月24日追記
 
さて,唐突ですけど......,完成したコアレスモータ対応コントローラをアナにプレゼントしたら喜ぶかな? ほんなもん,喜ばへんて。
 
anna.jpg 
  うわぁ,なんやごっつゆっくり動くやんか~っ!!! なんで関西弁なんだ?
 
と言う次第で,アナ雪にすっかりはまっちゃっているiruchanはこの前の3連休に久しぶりに上京してお台場の日本科学未来館で開催中のディズニー・アート展へ行ってきました!
 
ディズニー・アート展.jpg やっぱ,これを見ておかなくちゃ。
 
1920年代からのディズニーの歴代アニメの原画などが展示されています。生まれたときからどっぷりとディズニーのアニメをはじめとしてアメリカの文化に浸かっちゃった世代なので,喜んじゃいました。手描きの頃のアニメなんて,アニメだけじゃなく,ものづくりのよさが味わえて,とても感激でした。やはりディズニーはいいですね~。
 
結構,グッズがよくていろいろ買っちゃいました......(^^;)。
 
ディズニー・アート展グッズ.jpg
 
  シャープは娘にあげたら大喜びでした。とても書きやすいです。
 
久しぶりに上京したので秋葉原へ。帰りにゆりかもめ→銀座線と乗り継いで末広町で降りてコントローラの部品を買って3連休でケースに入れました。  

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トータン

ボリュームを2個設置して 一つはライト点灯用そしてもう一つは運転用 これって車両によっては調整が必要なもの それが回避できるPFM方式って魅力的ですね~ ボリューム0でも点灯 最高です(^^
by トータン (2017-07-23 21:49) 

iruchan

トータンさん,どうもいつもご覧いただきありがとうございます。

ご指摘の通りで,調光つまみを別にしたものは意外に調整が必要で,面倒です。コアレスモータとコアつきモータじゃ位置が違いますし,個々の車両で調整が必要です。下手すると車両が動いてしまいますしね。

PFMだとその調整は不要なので楽です。ただ,最低デューティはコアレスモータが動き出さない程度にしてあるので,場合によっては暗すぎるかもしれません。普通のつまみが1個しかないもの同様,少し回してあげればよいですし,PFMだとデューティの変化が緩慢なのでこの場合でも楽です
by iruchan (2017-07-23 22:11) 

Vivid

こんにちは!
色々なコントロール方式の比較検討、興味深く拝見していました。
出された結論の様に、PFM方式は模型制御には一番向いていると思います。
コアレス機は所有していませんので通常車両との比較はできませんが、参考にさせていただき、自分なりの方式を検討していました。
私の場合は、PWMで停止時の常点灯を制御し、PFMで走行駆動させます。走行し始めたらPWMはOFFにして、走行用のPFMで点灯も兼ねさせています。
そのうえで、定速制御の際にパルス幅(PWM)を変化させて制御しています。
今のところ、これで結構イイ線いっています。(笑)
by Vivid (2017-07-24 16:46) 

iruchan

Vividさん,どうもいつもご覧いただきありがとうございます。

さすがですね。いろいろご研究されていますね。

PFMは確かに模型に向いていると思いますが,回路屋としてはちょっと困ったもので,周波数が高くなるし,PICなどのマイコンを使おうにもハードウェアPFMの機能がないのでPWMで代用したりしないといけないのでソフトも開発が難しいです。
by iruchan (2017-07-24 19:46) 

ばなな

iruchanさん こんにちは!

今回でPFM/PWMは最終報告ですか?
何か寂しい感じですが、これからもいろいろと研究して楽しんでください。

おかげさまで、Arduino版PFM/PWMコントローラもだいぶ目標に近づきました。
Vividさんからもヒントをいただき、皆さんには大変お世話になりました。

おかげさまで、先日からの耐久テストでも、先ほど連続10000走行を超え、プラスマイナス0.1秒精度での緩やかな加減速の往復運転が継続中です。

その他、諸々の機能も付け加えながらゴールを目指していきたいと思います。

単純な往復だけなので、動画をアップするまでもないのですが、いつかは機会をみて、こちらの成果も発表したいと思います。

今後ともよろしくお願いします。
by ばなな (2017-07-27 19:47) 

iruchan

ばななさん,どうもいつもご覧いただきありがとうございます。

さすがに6種類も回路を考えて基板を作ったりしたのでしばらく休みます。

ただ,555を使ったPFMコントローラは改良したいと思っています。ちょっと回路が複雑ですしね。1石でPFM制御ができる石があるといいんですけどね。

では,またよろしくお願いします。
by iruchan (2017-07-28 08:13) 

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