北熊本製作所 北九州支店

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電動アシスト自転車バッテリー解析 他

なんやかんや仕事が忙しく…気が付けば2年と4か月が経っていたとは…
そんなわけでネットを探してもどこにもなさそうなネタを。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~

今頃になってサンスターの折り畳み電動アシスト自転車SP-16を手に入れました。(AL-14と取り違えたのは内緒)
中古で充電器なし、鍵なし。
とりあえずバッテリー受けのとある位置からドリルでぐりぐりしてバッテリー鍵でロックされる突起を破壊、
無事バッテリーを取り外しました。
で、分解。

中身は制御回路もないシンプルなリチウムイオン7セル直列。サーミスタらしきものが入っています。

で、充電はパナソニック電動アシスト自転車の古い充電器を流用。
この充電器のピンアサインですが、充電器の端子4本のうち、2本に+-のマークが入っていますが、+と-の間はNC、
-の右隣りはサーミスタ接続?のようで10kΩでプルダウンすると+-から出力が出てきます。

そこにSP-16のバッテリーを恐る恐る接続・・・

なぜか0.2Aしか流れない。

追試は自己責任で!

※パナソニック電動アシスト バッテリーピンアサイン(想像)
+放電/+充電/データ/-共通/サーミスタ
ただし信用しちゃダメ。
パナソニックのバッテリーを非常用電源として使えるインバータを持っていますが、
なんの信号線も使わずパワーラインのみ繋がっています。
こいつ⇒http://www.fts.co.jp/lifeup/mobaden/
一方、何も考えず負荷を取り出すとバッテリーが再起不能になるとの情報も…。
実は怖くてこのインバータ試したことがありません。
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DCモーター低速回転(続き)

再追記
以下の回路、方法も、前回の方法も、再現性があまり良くないようです。ブラシの状態など、ちょっとしたことで特性が変わってしまいます。そのような欠点に対して、得られるメリットが少ないとも思えます。



前回の続き)
結局のところ、ギヤの汚れと、配線が長すぎたのと、部分的に正帰還がかかる場合があって、不安定になっていたようです。前回の回路図で言えば、VRやRmが小さいと、実は負帰還から正帰還に変化してしまうのです。
例えば、R1/Rm>VR/R2だったとしましょう。このとき、左のオペアンプの出力はVmより低下します。また、モーター電流が大きいほど低下していきます。従って、Vmがもし一定なら、モーター電流が増加→左オペアンプ出力低下→右オペアンプ出力増加→モーター電流増加という正帰還が成立します。実際は、Vm増加→左オペアンプ出力増加→右オペアンプ出力低下→モーター電圧低下という負帰還もあるため、必ず正帰還が成立するわけではないです。しかし、Vmは回転速度に依存しており、これはモーター電流よりも変化が遅れるので、短時間の間だけ正帰還が成立して、モーターは突然ガクガクと動くことになります。

しかし、モーター始動時には、軽い発振状態のほうが始動しやすいです。ただ、先の発振は、「軽い発振状態」にするのが難しいようで、発振させないかさせるかしか選択肢がないのです。

そこで、始動特性改善のもう一つのアプローチとして、モーター端子電圧を制御電圧に加える方法を試しています。モーター始動直前は、モーター始動直後より高い電圧が加わります。そこで、これを僅かに制御電圧に導いて、モーター始動直前は制御電圧を高めて始動しやすくし、モーター始動直後は制御電圧を落として回転速度を下げるようにしてみています。間にコンデンサを入れて、モーター端子電圧を遅延して制御電圧に加えることで、ちょうどよい発振状態になりました。そのぶん始動直後はガクガクブルブルしますが。

ただ、これも正帰還なので「暴走」する条件があります。高速回転中にモーターに負荷をかけると、制御電圧の上昇が止まらなくなり、回転速度最大でロックしてしまいます。そのため、始動時以外は回路が働かないようにする必要があります。


追記
こんな手もあります。
始動時や低速でモーターが停止しそうになると、パルス電流を注入してモーターに「喝入れ」を行います。ただ、定数については要調整な所が増えました。
ちょっとブルブルとした始動になりますが、高い確率で低速始動できますし、負荷変動にも少しは強いです。

ただし、品質のよいモーターとギヤであれば、前回の回路でもいいかもしれませんし、前回の回路さえも意味がないかもしれません。
モーター制御改
回路図差し替えました(9月4日)

簡単に制御するという大義名分はどこへ?もうマイコンによるチョッパ制御でよくない?

まー実は、デジタルではなくアナログで設計しているのは、自作の鉄道模型の条件に合わせているためです。この話は追々…

DCモーター低速回転(センサレス)

久しぶりの電子工作ネタです。

模型やおもちゃ等に使うDCモーターをできるだけ簡単な回路で、低速で始動するのが目的です。

(現状では上手くいっていません)
改良版はこちら

モーターは以下のような等価回路で表されます。
モーター等価
Rmはブラシやコイルの抵抗分、Lmはコイルのインダクタンス、Vmはモーターの回転速度に応じて発生する逆起電力(速度起電力・発電機起電力)です。このVmを監視すれば、モーターの回転数が分かるわけですが、Rmに加わる電圧が邪魔でVmを直接監視することはできません。
そこで、Rmにかかる分の電圧を、モーター両端の電圧から引き算してやればいいわけです。

そこで、こんな回路を考えました。(クリックで拡大)
モーター制御
(C1,R3,Cp1,Cp2は無いほうがよさそうです。定数はてきとーです。上の図はあくまで一例です。)
Rmがほぼ一定とすれば、Rmに加わる電圧は、モーターに流れる電流に比例します。これを用いて、Vmを取り出すのが、上の回路図のR1,VR,R2,左のオペアンプです。
あとは、得られたVmと速度指令電圧を比較してフィードバック制御をかけるだけです。

で、この回路で試してみたのですが、うまくいったりいかなかったり…
うまくいった時は、通常の始動電圧が0.5Vを超えるようなモーターとギアの組み合わせでも、125rpm(印加電圧で約0.2V相当)で始動できました。しかし、電源の出力インピーダンスや電圧が変わると、低速での始動ができなくなったり、数~数十Hzでチョッパ制御しはじめたりと、なかなか不安定です。インピーダンスが低ければいいわけでもなく、どうやら、微妙に発振している状態のほうがうまく制御できるようです。つまり、偶然にも、高い電圧をチョンチョンとモーターに加えることで始動させるような動作をしているようです。したがって、むやみにコンデンサを突っ込んで安定させようとすると低速始動できなくなります。

やはりRmの変化も激しいようで、モーターの停止位置によっては始動の挙動が変わります。

軽い発振状態のほうが低速始動できることから、チョッパ制御によって、高い電圧を少ないデューティーでモーターに加える手法を取り入れて改良をこころみようと思います。しかし、そうするとモーターのインダクタンスLmによるスパイクが問題になってきます。とりあえず、回路図の右のオペアンプに軽い正帰還を施してチョッパ制御ぎみにしてみていますが、この場合はCp2に470uFを入れたほうが安定します。Lmの影響を打ち消すために必要なのかもしれませんが、オシロとか持ってないので細かいことは分かりません。

改良版はこちら

ちなみに…

モーターをできるだけ遅い速度で回転させる場合、マイコンとタコメータを組み合わせて、モーターの回転数を読み取りながら制御する方法があります。これが最も低い速度で安定して回転させられます。マイコンを使う分、プログラミング等が面倒ですが。
また、モーターの電流が0ならば、モーターの電圧=Vmですから、モーターの電流を断続して、Vmを取り出す制御方法もあります。実際には、交流を半波整流した電源を用いて、サイリスタで制御する方法がミシン等で使われているようです。この方法も簡単なのですが、モーターのインダクタンスによる起電力の影響を受けないためには低周波でモーター電流を断続する必要があり、素早い制御は困難です。



この回路は、Nゲージを買えない貧乏学生によるプラレールもどき改造計画(仮)に応用予定です。
遠隔制御(DCCもどき)、架線集電、デッドセクション走行(本当に架線は無電圧)などを予定。

PCG-SRX7バッテリ覚え書き

注意:Li-ionバッテリは使用条件を誤ると爆発・発火の危険があります。専門知識がない方は手を出さないことを強く推奨します。

Li-ionを使用する場合、以下の事項をよく確認することが必要です。
●充電電流の制限値
●充電電圧の制限値(種類によって4.1V/セルの場合と4.2V/セルの場合があります)
●充電電圧の誤差(±50mV以内、ただし、電圧が低い分には危険性はないため、誤差を考慮して低めの電圧にしておくことを推奨)
●充電終了とする電流値
●放電電流値(できれば保護回路を入れる)
●過放電保護(放電停止回路に加えてもう1つ保護回路が必要)
●過充電保護(充電停止回路に加えてもう1つ保護回路が必要)


VAIO PCG-SRX7…2001年に発売されたB5ノートPCです。ま、詳しいことはPCのカテゴリにして書くことにして、今回はバッテリのおはなし。

私はこのPCをタダで貰ってきて、サブPCとして使っているわけですが、貰ってきたときからバッテリがありませんでした。でも、別のPCのバッテリならある。そこで、そのバッテリを何とかしてこのPCG-SRX7で使えるようにしようと考えたわけです。

そんなわけで、色々調べたので、分かったことを書いておきます。

まず、SRX7側のバッテリ端子について調べます。どうやら以下のようになっているみたいです。
SRXバッテリ端子文字つき
 バッテリ(+)と(-)はそのままバッテリに繋がります。正規品バッテリの電圧は11.1V 3600mAです。
 スイッチ(+)と(-)と書いてある端子は、これをショートさせるとバッテリの充電が開始されます。充電電流は、特に何もしなければ約1.1Aに制限され、開放電圧は12.5Vぐらいとなるようです。なお、スイッチ(-)はバッテリ(-)と共通な気がしますが、断定できません。

 その他の端子は、バッテリ内蔵のバッテリ管理回路と充電量などの信号をやり取りするためです。この端子と使われる信号まで解析するのは困難ですから、非正規のバッテリーを組み合わせる場合、SRXシリーズ用に作られたバッテリから管理回路だけを持ってくる方法もあります。しかし、この管理用の信号の端子を使わない方法もできなくはないです。
 管理用の信号の端子を使わないと、満充電になっても充電停止がされませんし、バッテリ残量も分からなくなります。そもそもOSがバッテリの存在を認識できませんし、電源管理をバッテリ駆動モードに自動移行することもできません。しかし、バッテリを認識できなくても、AC電源が無くなれば、自動的にバッテリ端子から電力を得ようとします。それに、スイッチ(+)(-)端子をショートさせれば、充電電流は供給してくれますし、電流と電圧の制限も正確にしてくれます。なので、充電停止回路と残量表示回路、放電停止回路だけを自前で作って、バッテリに付属の過放電・過充電保護回路を組み合わせてしまえば、他のバッテリも使えるはずです。
 しかし、スイッチ(+)(-)端子をショートし、管理用の信号端子を開放のままPCを起動すると、どうも挙動が怪しいのと、バッテリのランプが点滅を始めて気持ちが悪いです。そこで、PCが起動したらスイッチ(+)(-)端子を開放するように仕組んでおくことにします。スイッチ(+)(-)端子を開放しても、AC電源が切れれば自動的にバッテリから電源が供給されます。

 加えて、私の場合、手持ちのバッテリは10.8Vで、電圧が少し違うという問題があります。よって、充電時はショットキーバリアダイオードを直列に入れて電圧を僅かに落として充電しようと思います。充電電流が0に近づいたらショットキーバリアダイオードを低オン抵抗のMOSFETでバイパスして、放電時の損失を抑えるようにします。

そんなわけで、回路を設計中…
でも忙しいのでいつできるのやら。特にケースに組み込んだりするのがメンドクサイ。

電子負荷

電子負荷作ってみました。
大電流を流せる可変抵抗として振舞う回路です。

ただ、手持ちの部品で作ったので特殊な部品を使っています。
(オペアンプとしてCMOSのCA3130、MOSFETにIRF3703)
以下の図では、オペアンプはもう少しメジャーなものにしていますが、これも入手できないかもしれません。HA17741は741のセカンドソースですが、他の741では電源電圧が足りない恐れがあります。
とにかく、オフセット調節端子があって、負の飽和出力電圧がMOSFETのVth以下ならその他のオペアンプでもかまいません。オフセット調節VRの抵抗値はオペアンプの品種によって違いますから、データシートの応用回路例など見て確認してください。オフセット電圧が小さいオペアンプなら、オフセット調節端子が無くてもOKです。
メジャーなLM358では、オフセット電圧が大きすぎて使い物になりません。

製作の際は各自試作とテストをしてください。私が作った回路と違ってくるので、保障できません。
電子負荷
オフセット調節VR(10k)は、右の入出力端子に電流を流した状態で、オペアンプの+入力と-入力の電圧差が0になるように調節します。左側の2個のVRで、右の入出力端子間の抵抗値を調整します。2個にしたのは、広範囲に抵抗値を変更できるようにするためと、片方で大まかな調節を行い、もう片方で微調節ができるようにするためです。

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Author:Kitakuma
電子工作、鉄道、温泉と旅行、送電線見物などが趣味の学生です。論文以外の文章力はないので冗長な文になるかもしれませんが、生暖かく見てやってください。詳細
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