Infrared Control Helicopter:RCメカ

カテゴリ：RCメカ

• ブラシレススピコンにガバナーモード機能の実装
  [ 2009-11-14 18:47 ]
• 単相ブラシレスモーター ２号機
  [ 2009-06-07 10:33 ]
• 単相ブラシレスモーター
  [ 2009-05-31 09:05 ]
• ジャイロ搭載４チャンネルFM受信機
  [ 2008-09-20 21:06 ]
• ジャイロチップを使用したヘッドロックジャイロの自作
  [ 2008-05-24 21:25 ]
• muRata gyrostar ENC-03
  [ 2008-05-02 14:42 ]
• ジャイロスター（ENC-03J）の単体使用
  [ 2008-04-05 16:57 ]
• ブラシレスモータ用４ｃｈ赤外線受信機
  [ 2008-01-19 19:23 ]
• ブラシレススピコン
  [ 2008-01-18 21:05 ]
• 逆ピッチプロペラ
  [ 2007-12-29 14:03 ]

ブラシレススピコンにガバナーモード機能の実装

現在Walkera4G6はブラシレスモーターのスピコンにPICを一つ追加し、飛行中時間と共にスロットルを徐々に開いていくようにしています。これは、勝手に「簡易ガバナーモード」と呼んでいますが、実際に回転スピードを計測して回転スピードを維持できないかを考えていました。ブラシレスモーターのスピコンはモーターの回転に合わせてFETを制御しているので、制御周期の一回の時間を計測すれば、２極磁石のモーターの場合は一回転のスピードになることがわかります。ただ、実際にはPWM制御も行われているので単純に一サイクルの時間を計測するのは難しいと思っていました。
下の写真はWalkeraの１０Aのブラシレスモーター用のスピコンです。
一本のモーターの動力線に対応してNチャンネルFETとPチャンネルFETが対応していますが、オシロのチャンネル１でPチャンネルFETの制御端子、オシロのチャンネル２でNチャンネルFETの制御端子を計測した結果が下の写真です。NチャンネルはPWM制御されていますが、Pチャンネルはされていないことがわかりました。全てのスピコンが同じかどうかわかりませんが、手元にあるコスモテックのMax Power CT-7Aも同じようです。
PチャンネルFETの制御信号のサイクル時間を計測して、プロポのスロットル信号のレベルによりモーターの回転スピードが一定になるように補正した制御信号をスピコンに送ってやれば回転数を一定に維持することが出来ます。。
簡易ガバナーモードの場合、徐々にスロットルを開いていく割合を機体ごとに調整する必要がありましたが、モーターの回転スピードを計測するようにすれば汎用性も高くなります。


[2009/11/21 追記]
PICを追加してガバナーモードの機能を追加できましたが、結果的にはあまり効果がありません。
ピッチが抜けた時の過回転の防止にはなります。
現状のモーターとバッテリーの組み合わせでは、飛行可能な回転数を維持するためにはフルスロットルにする必要があり、スロットルを０-100-100-100-100に設定するのとあまり違いがないことになってしまいます。モーターとバッテリーが新品のの場合は多少余裕がありますが、数回飛ばすと直ぐに劣化してしまうようで余裕がなくなってしまいます。そもそもこのWS-12-005モーターは無負荷で回してもかなり熱くなってしまいます。もっと余裕のあるモーターとバッテリーを見つけたいものです。

単相ブラシレスモーター ２号機

Sunhayatoのシール基板を使用して再度単相ブラシレスモーターを作成してみました。
問題なく起動できますが、シール基板を使用した分１号機より少し重くなりました。
推力も少し低下してしまいました。推力は、コイルと磁石の隙間を出来るだけ少なくすると上がるので、調整で幾分改善できるかもしれません。
磁石はコアレスモーターに使用されている筒型磁石を使用していますが、通常コアレスモーターでは筒型磁石内の軸受けに通された回転軸がコイルと共に回転します。ブラシレスモーターではこの軸受けにシャフトを固定して磁石の方を回転させますが、この軸受けの軸心が意外と狂っており、振動の原因になります。振動が発生すると回転数が上がりにくく効率が落ちてしまいます。
プロペラを直接回転する場合はプロペラのバランス調整で多少改善できますが、ギヤダウンの場合はバランス調整が簡単に出来ないのでどうしたものでしょうか・・・
安定した性能を出すためには、巻き数を少なくして抵抗を減らし、ドライバーＩＣのパラレル使用が必要かもしれません。

今回はシール基板を使用して作成しましたが、下の写真のようなゴーグルや先の細いハンダこてを使用すれば直接ＩＣに接続することもそれほど難しくないように思います。

単相ブラシレスモーター

単相ブラシレスモーターは、既に多くの方が実施され良い結果を残されていますが、やっと作ってみることができました。
モータードライバーIC（A1442）はかなり前にｄｉｇｉ-ｋｅｙから買っていたのですが、適当なＵＥＷ線が手元になかったためなかなか作ることができませんでした。
色々な方の結果を参考にさせて頂き、0.12ｍｍと0.18ｍｍのＵＥＷ線をオヤイデ電気から取り寄せて、ようやく作成可能になりました。

作成方法はkobaraさんのブログを参考にさせて頂き、適当なバルサ棒に剥離紙が付いたままの両面テープを貼り付け、軸受けが通るところを確保するために２ｍｍ程度の棒を差し込んだ状態で0.12ｍｍのＵＥＷ線３ｍ程度を、透明なアクリル塗料を塗りながら手巻きしていきました。
磁石はハニービーの６ｍｍモーターから取り出し、シャフトは０．８ｍｍのピアノ線を使用しました。
それほど軽さを追求していませんが、1.20ｇなので、ＭＫ０６－４．５より少し軽いです。
軸受けには、磁石内の軸受けをＧＷＳのピニオンプラーで取り出し使用しています。
モーターはとてもスムーズに回転し、起動もスムーズなのですが、時々起動しにくい時があります。
そんな時でもフルスロットル付近にすると起動しますが、ドライバーＩＣの位置が良くないのかもしれません。

今のところ、ドライバーIC一個ではＭＫ０６－４．５の性能より劣りますが、一番下の写真のユニットで8ｇ以上（２５０ｍＡ程度）の静止推力が得られています。
写真のプロペラは直径140ｍｍ、ギヤー比9：１ですが、自作の6.7ｇのヘリコプターは150ｍｍのプロペラでもう少し推力が期待できるためドライバーIC一個のもので換装可能かもしれません。
ヘリコプターの場合は、なかなか余裕のあるモーターを使うことが難しいためモーターの寿命を比較的早く迎えるようです。ブラシレスに置き換えられれば、メンテナンスが楽になるため次回交換が必要になったら搭載してみるかもしれません。

[2009/6/1追記]
単相ブラシレスモーターの機構はとてもシンプルな構造のようです。
６ｍｍモーターの磁石を調べてみるとＳ極とＮ極が半々の磁石のようなので、交番磁界のホールセンサーの入力が切り替わるタイミングでマグネットアクチュエータの通電方向を切り替えれば良さそうです。
ただ、ＳとＮの境を検出している状態で停止している時には少し起動しにくくなるようです。
それでも、ホールセンサーの位置によって少し起動が良くなったり悪くなったりします。
ＰＩＣを使ったプログラムでも出来そうですが、Ａ1442のような超小型のワンチップＩＣでドライブできるのでホールセンサーだけでもここまで小型のものは見つかりにくそうです。
今回はＶＤＤとＳＬＥＥＰを電源のプラスに接続してＧＮＤをＦＥＴのドレインに接続しましたが、Ａ1442にはフルブリッジのＦＥＴが内蔵されているため、ＶＤＤとＧＮＤをそれぞれ電源に接続し、ＳＬＥＥＰをＰＩＣの足で直接ＰＷＭ制御すれば受信機のＦＥＴが省略可能になり、配線が短くなるように配置すればケーブルが３本になってもＦＥＴ削減の軽量化の効果のほうが大きくなると思われます。

[2009/6/2追記]
「ＶＤＤとＧＮＤをそれぞれ電源に接続し、ＳＬＥＥＰをＰＩＣの足で直接ＰＷＭ制御すれば受信機のＦＥＴが省略可能になり」と記述したが、実際にやってみると良い結果になりませんでした。
デューティー５０％程度でモーターが停止し、それを境に上下でモーターの回転が反転する現象が発生します。但しデュティー０％では停止します。結果的にはＶＤＤとＳＬＥＥＰを共に電源のプラスに接続し、ＧＮＤをＦＥＴのドレインに接続するのが良いようです。

[2009/6/6追記]
ドライバーＩＣに直接ハンダ付けするのも難しいのでＳｕｎｈａｙａｔｏの0.5ｍｍピッチシール基板を買ってみました。ハンダ付けしてしまえばその後の処理は格段に楽になりますが、端子がないＩＣをハンダ付けするのは意外に難しく、直接する方がむしろ簡単かもしれません。とりあえず電源とＬＥＤをコイルの代わりに取り付けて動作確認し、ハンダが付いていることを確認しました。

ジャイロ搭載４チャンネルFM受信機

安価なFM受信機、R4J NANO40をリコプター用のジャイロ付き受信機に改造しました。改造は既にkobaraさんが実施されているので、PICの端子の使用状況も予め分かりとても助かりました。
改造にはPIC１２F683とｍｕRａｔａ Gyrostar ENC-03Rを使用し、２モーター、２サーボ、１ジャイロ入力の構成です。今回は使用しているＰＩＣの端子に余りがないため、ゲイン調整機能を実装できないので、搭載するヘリコプターに合わせてソフトウェアーを調整する必要があります。ジャイロを実装するためにはＰＩＣを定電圧で動作させる必要がありますが、R4J NANO40は３Ｖのレギュレータが搭載されているので、問題なさそうです。
あとはＦＥＴとノイズキラーコンデンサ、ショットキーバリアダイオードを取り付れば完成ですが、プログラムのパラメータが適当かどうかは実際に搭載して飛ばしてみなければわかりません。


[2008/09/21 追記]
改造が完了したので早速搭載してみました。
機体は最近発売になったＥＰ Ｃａｌｉｂｅｒ１２０です。知人に頂いたものですが、市販のプロポで操縦したかったため改造することにしました。
改造後はコンピュータプロポで細かく設定できるため、自分に合った設定で楽しむことが可能になりました。

ジャイロチップを使用したヘッドロックジャイロの自作

４月の始めにジャイロスター（ENC-03J）の単体使用の記事でジャイロチップが比較的簡単に使用可能なことが分かり、自作マイクロヘリコプターやハニービー改造機に搭載可能なジャイロ機能付きスピコンを作ってきました。ジャイロを単純なレートジャイロとして使用することは比較的簡単でしたが、ヘッドロックジャイロはどのように実現すればよいか試行錯誤を続けていました。
今回PixyZAPに搭載してホバーリング可能なヘッドロックジャイロをｍｕＲａｔａ製作所製ジャイロＥＮＣ－03ＭとＰＩＣ12Ｆ683を使用して作成することができました。
写真のジャイロは、ジャイロチップにＰＩＣを貼り付けて、直接ケーブルをハンダ付けした手抜き品です。

ヘッドロックジャイロはＦｕｔａｂａＧＹ240を持っていますが、動作を解析してみると、ヘッドロックモードでもジャイロに対して高速な回転が加わった場合は、レートジャイロのように振舞うようです。比較的遅い回転に対してはヘッドロックモードになり、回転した分反対に回転しなければ出力がもとに戻りません。ＥＮＣ－03Ｍはレートジャイロですが、ヘッドロックとして使うためには出力を積分してどれだけ回転したか記憶する必要があります。
積分といっても難しい処理を行うのではなく、一定間隔でジャイロのアナログ電圧読み出して停止時出力を基準にプラスマイナスとして累積していきます。累積した結果が０であれば元の位置ということになります。とはいっても誤差があるため完全にピッタリになることはありません。ヘリコプターのテールローターの制御の場合は操縦者が補正できるのであまり問題にならないようです。
私はヘリコプターにヘッドロックジャイロは通常使用していませんが、今回学んだ技術を使って自立安定性の助けになるようなプログラムを作りたいと思っています。

muRata gyrostar ENC-03

先日、yasさんが、ENC-03Mが安く入手できると紹介されていました。
私は既にENC-03Rを手配済みでしたが、安さにつられて注文してしまいました。
本日届いたので、少し紹介します。

ＥＮＣ－０３Ｍ

ＥＮＣ－０３R

大きさ比較

4モーターＶＴＯＬに搭載


ＥＮＣ－０３Ｍの重量はカタログ値そのまま、ＥＮＣ－０３Ｒはカタログ値0.2ｇ以下のところ実際は0.12ｇで少し軽い。
0.28ｇでも軽くしたい場合はＥＮＣ－０３Ｒを使いましょう。
4モーターＶＴＯＬは重量バランスが良くなったのか、ＥＮＣ－０３Ｒ搭載時に比べて少し安定性が良くなった気がします。

ジャイロスター（ENC-03J）の単体使用

写真のジャイロチップは、GWS　PG-03というラジコン用のジャイロに搭載されている村田製作所製のジャイロスター（ENC-03J）です。
現在でも生産されているようですが、後継機種があるので、メーカーは新たな使用を推奨していないようです。
手元に使用していないGWS　PG-03があったので、ジャイロチップのみでどのように使用すればよいのか確認してみました。

[端子説明]
+:電源入力 2.7～5.5 V
O:センサー出力
R:リファレンス電圧出力
-:GND

テストではセンサー出力をPICのAD変換入力に直接接続してテストしました。
データシートにはフィルター回路など、多少複雑な記述がありましたが全く無視し、簡単な接続でよい結果が得られました。
以前作成していた２プロペラ式のVTOLのプログラムを少し変更しテストしましたが、問題なくホバーリングできることが確認できました。

このジャイロチップは単体で0.9g程度ですが、0.4gの機種は最近良く見かけます。最新機種は0.2ｇということなので、こんなに簡単に制御できるのであれば入手したいものです。


ジャイロスターが使用されている製品は色々あるようなので、ジャンク品でもあればそれを買って取り出せば安く入手できるかもしれません

[2008/04/06 追記]
その後調べてみると、GWS　P-G03ではリファレンス電圧出力端子は接続されていないことがわかりました。
プログラムのオフセットパラメータを変更してテストしてみると、問題なくホバーリングできることが確認できました。電源端子と出力端子の３本を接続するだけで使用可能なようです。
さらにプログラムを変更し、入力値の影響度を１／４にしていたところを１／２にすることでジャイロの効きが良くなり動作が改善しました。
これで外付け部品なしで使用可能なことがわかり、４ｍｍモータを使用した４モータVTOLの実現が可能になるかもしれません。（0.2ｇジャイロが入手できれば・・・）

[更に追記]
PS3のコントローラ（DUAL SHOCK3)にジャイロスターが搭載されているなどと記述しましたが、調べてみると以前としちゃんに書き込み頂いていたエプソンのXV-3500が使用されていました。このセンサーは、３V電源なので少し困りましたが、テストに使用しているVTOLには改造していないGWS　PG-03がもう一つあり、そこには３Vがあったのでそこから電源を供給しました。
このジャイロは恐ろしく小さいですが、ジャイロスターと同じように電源と信号線のみを接続してホバーリングが可能なことが確認できました。ジャイロスターと比べるとフィードバック量が小さいようなので最適にするためにはPICプログラムで調整する必要がありそうです。

ブラシレスモータ用４ｃｈ赤外線受信機

コスモテック Max Power CT-7Aブラシレススピコンの動作確認をしていましたが、スピコンにPICと赤外線受光素子を取り付けてブラシレスモータ用４ｃｈ赤外線受信機にしてしまいました。
スピコンの３端子レギュレータも外し１セル専用にしてあります。
PICは全てサーボ用の信号を出力するようにしていますが、スロットルのみフェールセーフ機能として、赤外線が途切れると徐々にスロットルを絞るようにしています。

このスピコンは、Lipo１セルでは低電圧監視機能が働かない仕様のため、電圧監視LSIを搭載し、LEDを点灯するようにしています。

ブラシレススピコン

最近超軽量ブラシレスモータ＾が流行っているようです。
超軽量とはいきませんが、飛行リーマンさんのページで紹介されていたブラシレスモータ用スピコンが安かったので思わず注文してしまいました。
コスモテック 7A 4.4g Max Power CT-7Aという商品で、実測では下記の写真のようでした。


基板単体では、１．５ｇで、￥２，３８０という値段を考えると満足できる商品だと思います。

以前作ったCD－ROM改造ブラシレスモータを回して動作確認しました。

[2008/01/19 追記]
kobaraさんのところに３端子レギュレータ外しとコンデンサの小型化の記事がありました。
３端子レギュレータは私も外そうと思っていましたが、コンデンサについては考えていませんでした。電源とコンデンサを外した状態で1.15ｇでした。その後手持ちの２２μFのタンタルコンデンサに取り替えて１セルでCD－ROM改造ブラシレスモータを回しましたが、とりあえず問題無く動作しました。Lipo１セルでは電源カットが働かないということなので、監視LSIを搭載した方がよいかもしれません。

逆ピッチプロペラ

VTOLで使用するプロペラは対向するプロペラを逆ピッチのものにすることでトルクを打ち消しあうことができますが、市販のプロペラには逆ピッチのものがあまりありません。
写真の黒いプロペラはDexterity 3DX Helicopterのテールローターでオレンジ色のＧＷＳ　ＥＰ－０３２０とほぼ同じようです。このプロペラはあまり軽量ではないため、超軽量な機体は作成できませんがとりあえず入手してみました。ダイレクト駆動では５０ＸＣなど大きめのモーターになってしまうため、ギヤーダウンが必要です。　
ところで、加速度センサーによるバランス制御は、あまり良い結果がでていません。
ＲＣ用のジャイロでは比較的簡単にバランス制御が可能でしたが、加速度センサーでの制御は思った以上に困難です。まだまだ時間が掛かりそうです。