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ブラシレスDCモータ奮闘期Vol.1 - 強制転流

こんばんは

学部生は,期末テストや卒論発表が終わり,ひと段落したところでしょうか.
進級や卒業が決まり「いぇ~い♪」な方や,留年が決まり「マウスやるぜ!いぇ~い♪」な方がいることでしょう(苦笑

社会人になってからは,留年してでも1年学生やりたかったと,叶わぬ願いに思いをはせる方もいるそうですよ?(誰に?とは言いませんがw)

まあ,私は明日に修論発表会を控えているので,ブログなんて書いてる場合じゃないんですがね(笑)

さてさて,本題にうつりましょう.

私の中で新たなプロジェクトを立ち上げました!
散々twitterでつぶやいているので,そちらを見ている方はお察しかもしれませんが...
その名も「BLプロジェクト」否,「BLDCプロジェクト」!

ブラシレスDCモータの駆動方法を学び,回してみよう.そして,ブラシレスを使った”何か”を作ろうなプロジェクトです.

ブラシレスを使った作りたいものは実はもう決まっておりまして,3つあります.

・マイクロマウスの吸引ファン駆動装置(センサレス駆動)
・ブラシレスジンバル(強制転流?)
・ブラシレスモータをメインモータとするマイクロマウス(ホール素子を使ったベクトル制御?)

この3つの実現を目指し,ブラシレスDCモータの駆動にトライしていきたいと思います.
将来的には,EVカートの駆動をしてみたいなとか思ったりしてますが(笑)

まずは,ブラシレスモータを駆動するのに必要なことを考えます.

・ブラシレスモータの制御アルゴリズム
・モータドライバ

この2つでしょうか.
まずは回すことがモチベを維持するのに大切なので(笑)制御の自由度が高く扱いやすいモータドライバ(L6230)を使います.

このモータドライバの優れたところは,相補PWMがいらないところで,3相のPWMを入力するだけで駆動することができます.
このモータドライバをつかい,ブラシレスモータを回すことを当面の目標とします.

まず,強制転流で回してみたいと思います.
強制転流は,ブラシレスモータに3相交流を入力し,その時ブラシレスモータ内で発生する回転磁界に同期してモータが回る駆動方法のことです.効率は最悪らしいですが,フィードバックしないので最も簡単だと思います.

PWMを使って三相交流を作る方法はGoogle先生が詳しく教えてくれるでしょう.





マワッタヨw
便利なモタドラを使ってるので,相補PWMを生成する苦労も無いし,ハイサイドとローサイドのFETが両方ONになりFETは燃える心配が無く,思ったより簡単に回せてしましました.
作り話なしに,コンパイル一発で回りましたw(Simulink使ってるので多少ずるしてますが)

ついでに,入力する三相交流の位相をsin波状に変化させると,サーボ制御のようなことができました.



ちなみに,奥に見える青い基板が,L6230の評価基板です.NUCLEOにさせるらしいです.
回してるブラシレスモータは去年の学生大会で景品としてもらった物です.

あと,手前に見える緑色のマウスの基板は先輩の基板で,土台として使ってすみません.土下座します(笑)

次回は,ホールセンサを使った矩形波駆動をしましょうかね(実はもうできてる)
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2016年全日本大会

こんばんは

全日本大会お疲れ様でした.

なぜか今年は,次シーズンの始まりを,全日本大会の終了が告げているような気がします.
来年から就職なので,学生のうちに来年の機体を作っておかなくてはという深層心理が働いているのでしょうか(笑)

さて,全日本大会の結果報告です.

クラシックエキスパート部門決勝:5位入賞!
ハーフエキスパート部門決勝:7位

IMG_1170_s.jpg

でした.
景品は賞金1万円と,Futabaのプレイマット???(上の写真に写っている黒いもの)です.

簡単に結果について.

・クラシック
去年の同じ機体「しゅべるま~」で出場しました.ハードウェア的な変更は一切無し.ソフトウェアが進化しました.
進化したのは経路導出で,最小歩数の経路から,歩数に制限を設けた全経路の時間ベース評価による経路導出を新たに導入しました.
ターンのパラメータは去年の全日本より少し速かったと思います.
また,決勝の前日に,ターンを指定した速度で曲がれていない不具合(バグというべきなのか?)を発見し,夜になきながらプログラムに修正を加えました.そのため,ターンが今までの走行より格段に安定していたと思われます.

探索は,難なく(?)既知区間斜め加速をし全面探索成功.途中のV90×nを既知区間加速で柱にカツカツあたりながらの走行はヒヤヒヤしましたが...汗. 
「しゅべるま~」は今年の全地区大会(※1)+全日本大会で全面探索をミス無く成功を達成しました!
※1)シード権が発生する大会

最短経路は経路は,南周りのV90連続を選択しました.要検証ですが,一番速い経路だと思います.
最短走行のパラメータは,今回最初からせめました.
2走目にターン速&直進加速度はMAXパラメータでした(笑)最高速が上から3番目(実質2番目)
3走目に全てのパラメータをMAX
4走目も全てのパラメータをMAX
5走目はパラメータがもうないということで辞退

前に走行した人を抜かすには少なくともMAXパラメータでないと不可能なことが分かっての戦略です.
まあ,走行は成功しましたが,抜かせなかったのですが...トホホ

今回のMAXパラメータの走行をみて,まだまだこの機体は速度が出せるのではないか?との疑惑...というか確信が(笑)
といっても,4位とは0.5秒差.まあ,MAXパラメータを上げても無理でしょう(涙

さて,来年はどうしましょう.今年中には方針を決めましょうかね.

・ハーフ
ハーフは今年の新作「しゅべるま~じゅにあ」で出場しました.
就活と海外学会準備の合間を縫って設計&発注し,9月下旬に組み立てたにしてはよくここまでできたなという感じでしょう.

探索は帰りの探索中に壁を読み間違え失敗.行きの探索データのみで最短経路を求めました.幸いなことに最小歩数経路は無事でました.帰りの探索は全面探索で,時間内に戻ってこれるとは思ってないので,6分半たつと戻ってくるようにしていました.が,たしか,3分半くらい?でこけてしまったので,あれ?時間が余るぞ?(笑)と思ってしまったのはここだけの話.というのも,私のマウスは探索で失敗することはあまり想定されておらず,重ね探索をするというモードがありません(笑)なので,迷路データを消し探索をやり直すか,行きのみで経路を求める選択肢しか有りません.後者を選択したので時間がたっぷりでした(笑).

最短走行は
2走目,直線速度,ターン速度ともに最低パラメータで失敗
3走目,直線を4/8パラメータ,ターン速を最低パラメータで成功
4走目,直線を4/8パラメータ,ターン速を最高パラメータで失敗
5走目目,直線,ターン速ともに最高パラメータで失敗

失敗要因はゴール手前の斜めで柱に当たったため.うーむ,斜め中の壁制御を入れてない罰がここできました.
一つ失敗したなと思ったことが.直進時の壁補正を切り,壁切れとジャイロとエンコーダのみで走行するモードを選択すれば良かったなと.走った最短経路では,壁補正ができる直線区間が非常に短く,ターンでのずれを壁制御で補正しようとするが収束しきれず角度がずれてしまうため,いっそのこと切ってしまえば良いという発想です.まあ,斜め中の壁制御を入れろってことですね...

今年のハーフはハーフプロト機なので,来年新作を作ることはほぼ決定しております.
まあ,どうなるかは完全未定ですが...ドウナルヤラ

さて,競技の話はここまでにしましょう.
今年も技術交流会が開かれました!

机の上に赤いマウス同士で固めて並べてたら,なぜか色別に整列させる流れにw
IMG_1083.jpg

やっぱり赤色基板はイイゾ
あ,技術交流会について何も中身のある文章書いてない...ま,いいっかʅ(◔౪◔ ) ʃ

自分は今年で3回目の全日本大会でした.
なので,最初の2回が工芸大で,全日本=工芸大のイメージだったので,違う大学で開催というのは新鮮な感じがしましたね.
新しい場所での開催でしたが,出場者に不便なく運営さえれておりました.運営の尽力あってのものだと思います.
運営に携わった方々,本当にありがとうございました.そして,皆さんお疲れ様でした!

全日本が終わったということは,次の全日本まで365日!
つまり,来年のマウスシーズンはもう始まっているのです!

では!

全日本直前

こんにちは

全日本大会前日ですね.
会社で仕事な方や,試走会でギュインギュイン走らせてる方,授業,部室で調整,移動時間など様々だと思います.

私はというと...家で「響けユーフォニアム」をループ再生しながらクラシックマウスの最終調整をしてました.(ユーフォはいいぞ!)
というのも,水曜日にクラシックのタイヤを1年ぶりに交換したので,すこし探索用のターンがずれていたためです.

最短走行用のターンは多少ずれてても良いが,探索のターンは少しのずれが命取りになるので.(少なくとも,私の今の探索時の制御では...)

↓交換する前のタイヤ.
IMG_3945_3.jpg

確か,去年の全日本1週間前に交換した記憶が...そこから交換していない...

リポも1年半使い続けたので新しくしました.心なしか吸引力が上がったような気がします(笑)

↓リポの放電特性(横軸電流,縦軸電圧)
01_1S Voltage drop

吸引ファン用のモータには電流が1A以上流れます.新旧でここまで電圧降下が違うと吸引力が上がってそうです.


なんか話が発散しそうなので,機体の話はここまで.
詳しくは全日本後にでもブログに書きましょうかね.

さて,全日本前ということで地方大会の結果を振り返ってみましょう.

IMG_3935 - コピー

振り返ってみれば,全部の地区大会に参加し,全部の地区大会で表彰されました!ヨシャ

クラシック「しゅべるま~」は,
関西 : 準優勝
草の根 : 優勝(シード獲得)
東日本 : 準優勝
東北 : 準優勝
九州 : 優勝
中部 : 三位
学生 : 優勝
北信越 : 準優勝

ハーフ「しゅべるま~じゅにあ」は,
東日本 : (R)
東北 : (7位)
九州 : 三位(シード獲得)
中部 : (4位)
学生 : 三位
北信越 : 優勝

クラシックは優勝や準優勝と好成績ですが,Queな方や赤い彗星な方,javaな方には勝てず,その方々が参加していると順位が下がるという結果でした(笑)

マウスには運要素が少ないという表れでしょうか.
来年には勝ったり負けたりできるレベルになりたいものです.

クラシックの今年の新しい点は,ハードの変更は無くソフトウェアに有ります.
去年までは歩数ベースの経路(重み無し)しか出せませんでした.
草の根大会から,時間ベースで評価する経路導出アルゴリズムを実装し,大会ごとにデバックしました.
草の根,東日本では大きなバグがあり,東北でようやくもっともらしい経路が出せるようになりました.

ハーフは,東日本1週間前から製作をはじめ,東日本ではスタートラインを切れるのみ.
東北では磁気式エンコーダーのブレに苦しみながらも何とか探索成功.
九州では始めて最短走行ができ,中部では斜め最短ができました.
が,ここまでで帰り探索中にこけており全面探索は成功することができませんでした.
学生大会前にターンを調整しなおし,全面成功+直進速度UPで入賞
北信越前にはターン速を上げ,優勝.

クラシックでの延びが今年はあまり無かった分,ハーフマウスは大会ごとに何かしらの進捗を出せて楽しかったです.
それ以上に辛かったですがw

日々の研究と土日の大会の合間に進捗出さなきゃいけないんですもん(笑)

さて,全日本ですが,ここで目標を宣言しておきましょう!

クラシック:入賞!
ハーフ:32×32で全面探索を成功させ,遅くてもいいから最短を成功させる!

去年の成績から考えるに,クラシックは追われる身,ハーフは追う身であります.
追われる身というのは精神的にきついです.
今年のMiceの成長はすさまじいもので,いつ後輩に抜かされてもおかしくなく,毎回ヒヤヒヤしていました...

とくにFNDでしょうか.1年目とは思えない機体スペックです.そしてどうやら全日本に向けて経路をゴニョゴニョしたそうなので....いや~恐ろしい.

今までの競技で,FNDのほうが機体スピードは上回っていたが,自分の経路が良かったため勝っていましたが,全日本はどうなるでしょう.

あ,そういえば,「しゅべるま~じゅにあ」は「ハーフ」から「クラシック,ハーフ兼用機」となりましたパチパチ(嘘です)



では,全日本大会で会いましょう.
参加されない方は,動画配信で是非!

2016年北信越大会

こんばんは

そういえば北信越大会のブログ書いてないな...と思いまして...書きます.

北信越大会でも,前回の学生大会同様ハーフとクラシックに出場しました.

結果は,
ハーフ 優勝!
クラシック 準優勝!
でした.
IMG_3912 - コピー

東北に続き景品はお米です!
実家暮らしなので,家族のウケはとても良いです(笑)

写真にO川さんよりとありますが,大会前日の懇親会で誕プレとしていただきました.「明日の景品入れとして使ってください」とのお言葉つきで(笑)
ありがとうございます!

プレッシャーですよ!(笑)

さて,大会の話をしましょう.

ハーフは学生からターン速をだいぶ上げました.
キャプチャ163

2,3走目が学生と同じ,4,5走目が上げたターン速さです.
3走目は2走目より加速度と最高速度を少し上げたがタイムはあまり伸びていません.長い直線が少ないからでしょう.
そこで,4走目からターン側を上げました.pHジャンプしましたね(笑)ターン速重要!
5走目は4走目から加速度と最高速度を上げました.(最高速度は関係なさそうですがw)
出場したハーフマウスで唯一5走とも成功させ,また唯一3秒台を出せたのはうれしかったですね.
あ,あとハーフマウスではじめての優勝だったのもとてもうれしい.

でも残念だった部分も.経路です.

↓大会で走った経路



↓理想の経路



前にも書きましたが,ハーフマウスのプログラムはほぼクラシックマウスのまんまです.クラシックとハーフのゴールは規定が少し違うので,その部分だけ変更しました.が,その部分にバグがいたようで,時間ベースで最速経路を導出することができませんでした.理想の経路だったら3秒前半はいけたかもしれません.

今回クラシックはネタが無いので割愛.
既知区間斜め加速がたくさん披露できた迷路でした(笑)
デモンストレーション的には既知区間斜めがたくさん合ったほうが良いが,それってつまりは無駄に回されているってことでは...

キャプチャ162

クラシックでは良い経路を走れたが,遅い経路を走った「ばらく~だ」に僅差で勝ち.
頭が良くなっているだろう全日本では非常に怖い.
あと,今年は本当にI.Sysが怖い!

では以上,北信越大会結果報告でした~.

磁気式エンコーダ

こんばんは

ここに追記しますが,自分はアブソリュートな角度を測定できるエンコーダを使っていません.
A相B相で角度を取得しています.(I相があればもっと良いのですが...)


今回は大会報告ではなく,皆さんお苦しみの磁気式エンコーダについて書きます.

自分も,9月下旬にハーフの機体を組みましたが,自作の磁気式エンコーダの値のブレが酷く制御どころではありませんでした.
そのときの速度ログがこちら↓

00_Raw velocity

エンコーダで測定された1msec間のパルスのカウント数から速度を算出しています.
条件は,0.25Vくらい(?)の電圧をモータに入力し,空回ししました.
ギアのかみ合わせはそれなりに良かったので,周期的な摩擦の影響はないものと仮定します.
つまり,タイヤは一定の速度で回転しており,エンコーダで正しく測定できれば一定の速度が測定されるはずです.

100~350mm/sの範囲でぶれており,とても制御に使えるセンサー値ではありません.実際にこの状態で制御をすると,周期的にカッカッと音が聞こえ,急激な加減速が起こります.

上のグラフを見ると,多少のずれはありますが,50msecの周期性があります.これはタイヤ1回転とおおよそ一致しております.
このエンコーダのブレを直すために,ローパスフィルタをかける方や,加速度センサーと組み合わせて自作磁気式エンコーダを使用されている方がいらっしゃいますが,私はエンコーダのブレが周期的である点に着目し,ブレを無くすことを行いました.


1回転分のブレを詳しく見るために,モータに一定の電圧をかけ,タイヤが一回転する時間の角度ログをとりました.(下図)

01_Raw angle

青線が理想ですが,測定された赤線は大きくずれています.

ブレが1回転周期なので,1回転は正確に測定できます.
今回使用したエンコーダの1回転のパルス数は2048なので,ある時間にパルス数を0とし,その時間からパルス数が2048になるまでの角度を測定し,グラフにしたのが上の図になります.

角度を補正するために,下図のような青線に対して赤線が対象となるグラフを作成します.

02_CorrectionTable2.png
↑11/14に横軸の単位を修正しました.

上図のグラフをルックアップテーブルとして用いて,エンコーダで測定された角度を補正します.
具体的には,
Sensor angle = 測定されたパルス数%一回転のパルス数
を求め,ルックアップテーブルを用いて補正します.
このルックアップテーブルを取得する作業を私は,エンコーダのキャリブレーションと呼んでいます(笑)

その結果がこちら(下図)
03_Corrected angle

青線が理想で,赤線が測定し.なんと良い線形であろう!
ただ,少し問題があり,さきほど1回転が正確に取れると書きましたが,じゃっかんの誤差を含んでいるようです.(プログラムミスなのかわかりませんが...)
なので,キャリブレーション後に回転を重ねていくと,エンコーダの補正が甘くなります.
そこで,キャリブレーションしてから2048回転後と4096回転後の補正後角度ログをとりました.(空回し)
なんで4096回転にしたかというと,32*32*90/タイヤ直径/円周率が確か4000付近だからな気がします.(少し前の記憶)

↓2048回転後
04_Corrected angle

↓4096回転後
05_Corrected angle

まあ,ちょっとずつ補正後の値がぶれてしまいますが,まあ現状は問題ないです.ローパスフィルターや加速度センサーを使わなくても走ってます.

最後に,空回しではなく,実際に走行させた場合の速度ログの比較.
(このデータを取ったときは,機構的な
磁石の回転ブレを無くす処置を行ったので,補正前のブレが少し少なくなっている)

↓補正前
02_01_raw_velocity.png

↓補正後
02_02_corrected_velocity.png

では,よき自作磁気式エンコーダーライフを!
プロフィール

tennisyi

Author:tennisyi
現在、東京理科大学miceに所属しており、マウスを制作しています。
目指せハーフマウス脱初心者!

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