マウスの不具合

常用している3台のPCのうちメインマシンのマウスのホイールが回している方向に画面がスクロールしないという現象が起きるようになりました。バッファローのBSMOU27SMという型式の有線マウスです。もうずいぶん長いこと使っているものですが、静かで使い心地がよく気に入っています。だめなら買い換えるかと、とりあえず分解してみたらホイール周りがホコリだらけでとても汚い。(あまりに汚くて、ご覧に入れられるようなものではないので写真は撮っていません。)
まずは綺麗に掃除しましたが、あまり改善されませんでした。

何でだろう? ホイールの回転を検出しているエンコーダーかな?とも思いましたが、よく観察してみるとホイールを回しても内側の円盤が回っていないことに気がつきました。エンコーダを回している透明な樹脂の円盤状の部品にゴムのタイヤ状の部品がかぶせてあります。この樹脂製の円盤とゴムが滑って、ホイールを指で回しても回転が伝わっていないことがあるということ。

分解して樹脂の円盤をきれいに拭いて、ゴムの部品は台所用の洗剤で洗いました。これでだめなら、円盤とゴムをゴムボンドで接着するか・・と考えながら、乾燥後に組み上げて動作をみたらバッチリ動くように。これでもうしばらく使えそうです。

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電気機関車 EF210 を分解

低速性能が少し不安定なのと機械的なノイズが気になったので電気機関車EF210を分解しました。

台車も分解して各ギアをグリスアップして組立。走行試験をしたところ、ノイズが止まっていませんでした。これは台車ではなくモータが原因であると推測して再度分解し、共振防止を目的にモータに薄いゴムシートを貼り付けて組立。再び走行試験。機械的ノイズがきれいに止まりました。極低速での走行も安定。レールだけではなく車両の手入れも重要だと再認識しました。

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連結のアイデア

電気機関車と貨車を連結する際に貨車側が軽いとうまく連結できませんというのがこれ。

何か対策方法はないかと試してみたのが・・・。

まあ、上手くいったと思います。どうやったかという種明かし。

線路にネオジム磁石を埋め込んでみました。この磁石で貨車の台車中央の取付ネジ部分を引き寄せておきます。それによって貨車が動きづらくなって連結成功。但し、いくつか問題がありました。
モータ位置の高い機関車なら良いのですが、位置の低い電車だと線路のマグネットと車両のモータが干渉します。更にモータがスロットレス/コアレスだと、ここで引っ張られて強制停止。従ってこの方法は相手を選ぶということですね。一つの案としてラジコン用のサーボを動力にして上下機構を作り、通常は線路から少し距離をとっておくという方法があるのですが、線路下にそれなりのスペースが必要になってしまうため「お座敷レイアウト」だと使えません。もう少し頭を使ってみます。

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納品前のエージング

組立を終えた製品は完成検査後に8時間のエージングを行っています。写真はパナソニックのリレーを4個搭載した「Mcb-16 USB制御 4ch リレーユニット」です。エージング終了後に再度動作の確認を行い、問題の無いことを確認してから出荷します。

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Nゲージ用パワーユニット(パワーパック)の製作

世間がコロナで仕事も少々暇だった時期に久しぶりに鉄道模型をいじり始め、それに合わせてパワーコントローラ(パワーパック)の製作に手をつけました。どうせ作るのなら、今の時代に合わせてワンハンドルのマスコンを使ったコントローラを作ってみようと、できるだけ市販されている部品を使って試作したメカ部分がこれ。側板とカム、一部の板金部品は特注品です。これにAVRマイコンを使ったPWM制御基板を設計して組み合わせました。

ワンハンドル・マスコン

鉄道模型(ここではNゲージ)で停止時にも車両のライトを点灯させる、いわゆる常点灯を実現しようとすると高周波のPWMを使うのが常道です。およそ20キロヘルツ以上の幅の狭いパルスであればモータを回すことなくLEDのみを点灯させることができます。但し最近使われ始めたコアレスモータ(スロットレスモータとも言います)の場合は、そうでは無いこともあるようですが、手元にコアレスで照明付きの車両が無いので、ここのところは検証していません。

この高周波のパルスのデューティ比を上げていけば(周波数はそのままでパルス幅を広げる)車両は走り出します。ところが従来型のモータであると、突然走り出す、いわゆるロケットスタートになってしまいます。もし、実際の車両でこのような起動をしたら乗客は全員転倒し大けがです。そこで、起動をゆっくりとさせるためには高周波ではなく低周波の信号が必要となるのですが、常点灯も成立させるため、低周波と高周波を重ね合わせた信号を使うということになります。低周波はおよそ50ヘルツ前後、高周波は20キロヘルツ以上ですが、この50ヘルツがくせ者で人間の可聴帯域であるので、ある程度回転が早くなるまでジーという音が。ある程度広い部屋や騒音のある場所ではそれほど気にならないかもしれませんが静かな場所では邪魔な音。気分的にイヤなので開発作戦をスタート。

なぜ音がするかを考えてみると、50ヘルツという低い周波数であるとモータは動いたり止まったりを繰り返しているからということなんですね。特にPWMでは、オンとオフの繰り返しなのでその影響か顕著に表れてしまいます。昔ながらの直流制御のコントローラであれば、モータに印可されるのは直流電圧、即ち電流が途切れることが無いので静かです。ところが直流電圧であると、ある電圧超えたところでいきなり回り出す、先にも述べたロケットスタートで走り出してしまいます。結局、ゆっくり起動するには低周波が必要ということに。でもPWMではだめ。さてどうするかということなのですが、電流をなるべく切らなければ良いということをヒントに初めに試したのが全波整流した正弦波。50ヘルツ程度の正弦波を用意して、これを絶対値回路を使って全波整流(正弦波のプラス側にマイナス側を反転したものを加算した信号)し、これを元に高周波の常点灯用のPWM波と合成しトランジスタまたはMOSFETで出力。これで静かに回せました。

波形を見ると分かりますが、オフ(=0)になっている時間が短いんですね。結果、ジーとかブーとかいう耳障りな音は聞こえません。おまけに上品にゆっくり起動させることができます。まあ、これでも良いのですが綺麗な正弦波をワンチップで出せる安価なICが現時点ではないこと。だいぶ前だとICL8038といった便利なICがありました。何か無いかと探していたら、XR-2206というICを見つけて海外から送ってもらったのですが、メーカーでは既に製造中止。オペアンプで正負両電源を使って作るのもどうかなと考えていたところ閃きました。三角波でどう?三角波であれば比較的簡単なオペアンプ回路、おまけに単電源で作れそうだということで早速試作。ただ、当たり前の話しですが正弦波にせよ三角波にせよデューティを100%(ハイベタ)には出来ないんですよね。でも、実際のところ必要としているのは最高速ではなく「上品で静かな起動と加速」なので、ここは割り切ろうということで、三角波と高周波のPWMの合成で動作検証を進めました。

検証中に「リバースエンジニアリング」で他社製品を試してみたときに気がついたのですが、常点灯用の高周波パルスは連続で出さなくても良いのだと。(さすが専業メーカーだけあって、うまく工夫されています。)そこで早速、低周波の三角波を基準にしてコンパレータで三角波の一定区間を取り出して、その区間のみ高周波を合成したところ超低速な部分がさらに下げられました。この起動と低速性能であれば「お召し列車」を引いても文句は出ないのではないでしょうか。

高周波の幅の狭いパルスは従来型のモータでは回転力にはならないと考えていましたが、実のところは回す力になっているということですね。点灯に必要なだけのパルスを合成することで不要な駆動力を減らせるので、結果として低速性能が更に良くなるということだと思います。この検証の終わった回路でプリント板の設計が終わったので、近日正式なものを組んで再度動作を検証します。

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パワーユニット(パワーパック)の性能を動画で。

試作中のNゲージ用パワーユニットはこんな感じです・・ということがわかるようにTOMIXのEF210(従来型のモータ車)を走らせて動画に撮ってみました。(音はありません)
先ずは発進と停止。

次に超低速走行。(1分35秒くらいから更に速度を2段階にわたって下げています。)

パンタグラフを上げていませんが、気にしないこと!

次はブレッドボードによる試作回路の様子。きれいな加減速をさせるため、撮影用にマイコン制御でボリューム部分を数値制御しています。基本回路自体はボリュームのダイヤルを回して制御します。
なお、ワンハンドルのマスコンユニットで制御というときはマイコンによる制御になるので、ボリュームとマイコン、どちらにも対応出来るように考えてあります。

ライトは高周波のPWM制御ですが、モータ駆動はPWMではないので低周波のPWMにありがちなノイズはありません。(但し車両によっては若干聞こえることがあるようです。動画で使ったEF210ではPWMによるノイズはありません。)

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超低速制御

Nゲージ用のパワーユニット(パワーパック)を動作検討中です。「静粛性と超低速」が今回の開発目的なんですが、TOMIXのEF210を使って1センチ進むのに50秒程度という低速性能が出せました。よく見ないと動いているのがわかならい・・・というレベル。起動加速もスムースになったし、これで回路設計完了。問題は部品コストで、量産メーカーと桁が違う。軽自動車と超高級車って感じ。

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続リバースエンジニアリング

前回の続きです。
動作波形をキャプチャしました。ネットでも見かけましたが、モータを接続した状態で取得すると何だか分からない波形になってしまうのでMOSFETのゲートの信号です。上がゲートの信号、下はトリガに使った低周波側の信号です。先ずはダイヤル位置が0。(左いっぱい)

次に25%位置。

次は50%。

次は75%。

そして100%。

少し拡大してみましょう。
25%では、

トリガ信号のHighの間では、全くパルスが出ていません。
そして50%。

25%では無かった低周波のHighの部分にもパルスが出てきます。そして、Lowの部分とHighの部分でパルス幅が違います。
次に75%。

50%と同じく、HighとLowの部分にパルスが出ていますが、50%と比べると明らかにパルス幅が広くなっています。
部品点数も少なく(=コストも安く)簡単な回路ですが、うまく考えていますね。

動かす車両(モータ)によって違いはありますが、PWMなのでどうしても低周波側の耳障りなノイズが出てしまいます。かなり抑えられていますが、どうもこのノイズが不快なのでPWM以外の方法で実験中です。

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リバースエンジニアリング

某社製の鉄道模型用の電源ユニットの回路解析をしました。自動車用のECUの解析をいくつもやった思い出がありますが、久しぶりの回路解析です。

全回路の解析をしましたがモータを動かす部分はこれだけ。材料費は400円もかかってないかな・・と思います。市販品なので当然保護回路もありますが、上の回路図では省略。あくまでモータを動かすところだけ。この回路図を元にブレッドボード上で回路を組んで動作を確認しましたから、この通り組めば動くはずです。2個使っているシュミットインバータは表面実装品ではなくDIP品の74HC14で問題ありません。但しDIP品だと6個のインバータが入っているので未使用の入力は処理しておくことが必要です。また、MOSFETはNチャネルのTO-220パッケージの2SK2232(100円程度です)などで構いません。インバータの入力にある152(高周波パルス用)と224(低周波パルス用)のコンデンサは値を変えれば周波数が変わります。ここでは、低周波側を下げたかった(50Hz位)ので224としましたが、実際の製品ではもう少し周波数が高く、104程度かと思います。(表面実装部品の場合、コンデンサは値が記されていないので正確な値が読み取れません。外して測るという方法はありますが・・。)

起動時に(モータによっては)若干唸りますが、スロースタートもできるので、電源別で3千円程度にしては総じて良く出来ていると思います。

この電源ユニットですが、電源投入時に保護動作に入ってしまうことがありますね。保護回路はコンパレータを使った「かなり凝った回路」で、こちらも動作解析をしてみようと思います。IC1個で実現できるものもあるのですが、コスト面でこの回路を採用されたのでしょう。

オシロスコープのキャプチャ画面はモータの駆動波形です。

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電子負荷にCPU搭載

以前製作した電子負荷基板にCPUを載せて、RS232Cでも制御できるように改良。

手前左のロータリーエンコーダでも制御できるし、通信でも設定できる。

放熱の具合を検証した結果が以下。

13.8Vで5A流したところ、
一般的な安価な絶縁シートでは、あっという間にドレインのリードが100℃を超え、
少し高価な白い絶縁シート(たぶん信越のTC-30BGだと思う)では同じくドレインのリードが90℃で平衡。
絶縁シートを使用せずにグリスのみでは54℃で平衡と、その差歴然。(このときの室温は20℃)

放熱器は絶縁してあるのでMOSとは絶縁しなくても電気的には問題無い。入力側にいれてある(写真右)逆接保護用のダイオードは絶縁。こちらはカソードのリードで5A時に34℃なので全く問題なし。
以上から、POWERMOSはグリスのみの使用とすることに。電流をもう少し上げて13.8Vで10A流すと、ドレインリードで87℃で平衡。計算上ではジャンクションの温度はもう少し高いはずで、最大定格ギリギリのようにも思えるので、次回は定格のもう少し高いPOWERMOS(TJMAX 175℃)に変更しようと思う。

今回は入力電圧をAVRマイコンのADCで読ませたのだが、残念ながらバラツキが大きく使い物にならず。なので次回はADCをI2Cの16ビット外付けに変更。別基板に載せているADCとつないで実験した結果、とても安定しており問題なし。写真の右へ出ている細いリード線がその検証に使ったもの。
また、放熱器の温度測定用に温度センサを置いてみたけれども、この型だと放熱器に固定してもあまり意味無いかなとも思うので、ネジ留め式のサーミスタに変更するか、あえて載せるのをやめるか。

他にも変更の必要があるところがいくつかあったので、近日中にもう1回変更したもので実験予定(最終確認)ということにしました。因みに放熱器は強制空冷の0.16℃/Wという、結構良い物を使っています。
(実は風量調整できるようにPWM制御ポートにトランジスタを入れて駆動しています。今のところはオンオフ制御だけですが。)

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