先日投稿した カブ系エンジン用自動進角CDI ~その3~ シリアル接続で小型化する。を元にしたCDIの作り方ページを開設しました。→カブ系エンジン用自動進角CDIの作り方
今回は敷居を低くするため、切削で作る方式ではなくユニバーサル基板にArduinoNANOを載せる方式で作っています。
またこれまでは下の様なハードウェア的なコントローラーで動作を設定していましたが、これも同時に作ると結構大変なので第一段階はＰＣで設定する事にしています。
ＰＣからの設定は、当初はコントローラーがやり取りする情報をArduinoIDEのシリアルモニターから手入力する方式で記載していましたが、これだと結構面倒です。
そこで急遽C#でGUIなツールを作成しました。このツールはコントローラーのエミュレータになっていて、ハードウェアコントローラーと同じ操作をＰＣ上で実行できます。
ご興味がある方は下記リンクをご参照ください。
また、これまで投稿したCDI製作関係へのリンクです。
カブ系エンジン用自動進角CDI自作の続きです。
先日の自動進角CDIですがサイズが大きくてカブに積み辛かったので小型化しました。
またコントローラーとの接続がパラレル接続だと線を伸ばし難かったので、シリアル接続に変更する事で扱いやすくします。
シリアル接続するにはコントローラ側にもマイコン(本体同様ATmega328p使用)を載せる必要がありますが、配線を伸ばせるとコントローラーをハンドル近くに設置してタコメーター代わりにも使えるのです。
まず本体側・・・
シリアル化によりコントローラーとの接続本数が減ってスッキリしています。
そしてコントローラー側。
こちらはマイコンを追加しています。また本体からケーブル経由で12Vを供給するので、コントローラー内に5Vを作り出すレギュレーターも載せています。
ケーブルを通す電源は5Vにしても良かったかな？LCDのバックライトに比較的大電流を流すのでレギュレーターを通す前の12Vを使ったんですが。。。
そして本体基板のパターンを設計。
なお図では両面基板ですが実際には片面基板に切削して表側(赤色)パターンはジャンパーで配線します。
シリアル接続にした事でコンパクトになり、ほぼ純正CDIと同じサイズにできました。
追記：前回はArduinoNANOの基板を載せていましたが今回はATmega328Pを直接実装したのでこれも小型化に効いていますね。
基板はいつもの様にCNCで切削します。
ところで切削で使う刃物は以前からオリジナルマインドさんで売られている「土佐昌典VC」を使っていますが、だいぶ前から使っているので刃先が劣化して切り跡ががケバ立ってきました。
これ、最近オリジナルマインドのページで見つけられなかったので販売が終了したのかと思っていましたが実は探し切れていなかっただけで、またちゃんとあった事が判り、今回新たに購入しました（１本￥2980円。これ凄くイイんですがちょっとお高いんですよね）。
まあとにかく切削実行！・・・結果、下の写真の様に上下に２回切っていますが、下側は深さ0.15mmで切削したら深すぎたので上側の0.1mmでやり直しました。
使い古した刃物で0.1mmだと切れていない事があったので0.15mmにしたのですが、断線したところがあります。
やはり新しい刃物は切れ味が良く0.1mmでバッチリです。
今回は表面実装のマイコンを載せるのでピッチが細かく、また高圧部分もあるので短絡の心配を減らす為に不要パターンを手作業で剥がしました。
そして部品を搭載。レギュレーターの極性を間違っていた部分はパターンをカットしてジャンパーで修正しました。
その後ArduinoNANO用ブートローダーを書込み、そしてファームも書込みます。
部品搭載後の表側。
高圧用コンデンサは前回のと見た目が違いますが1μF,630Vの同等品です。
コントローラーとの接続用に4pinのXHコネクタを設けています。
そしてコントローラー側のパターンも作って・・・
切削！
こちらは実験的に不要銅箔もCNCで取り除いてみたところ、切削時間は大幅に伸びますが手作業で剥がすよりも楽です。刃物は半月刃を使っていました(土佐昌典VCは切れ幅が狭いし第一勿体ないので)。
切削直後はまだ細い銅箔が残っていますが、これは手作業で除去します。
そして実装（裏面）
本体に接続するケーブルは4芯接続なので古い電話線を使ってグルーガンで補強しています。
またコントローラーは前回と同じケース(MDF材で作成した)に収めています。
現状MDF材ですが、ずっと使うなら防水が必要ですね。
本体側は3Dプリントしたケースに収めます。
これも現状オープン状態ですが、十分にテストした後は樹脂で埋めて防水するつもり。
では前回と同じカブ（息子が50ccをボア/ストロークアップした107ccエンジン搭載車）に積んでみます。
ＣＤＩ本体の小型化によりサイドカバーを閉めやすくなりました。
コントローラーは長めの4芯ケーブル(古い電話線)で接続。
ケーブルを1.5m程度に伸ばしたので見やすい場所にコントローラーを設置できる様になりました。
点火部分はソフト、ハード共に前回から変わっていないので走った感触は前回のままです。
試行錯誤の後が残ったままで汚いですが現状のファームウェアを掲載します。
マイコン(本体、コントローラー共)にはArduino NANOのブートローダーを書き込んだ上でこのスケッチを書いています。なのでもし追試される方はArduinoNANOをそのまま使う方が手っ取り早いかもしれません。
本体用→https://www.hoihoido.com/data/CDI-AC6.zip
コントローラー用→https://www.hoihoido.com/data/CDI-AC_Control.zip
なお前回の投稿ではコントローラーをパラレルで接続していました。今回の本体用ファームはシリアルコントローラー、パラレルコントローラー、どちらにも使用可能です(前回投稿の回路図で作ったCDIに書いても使える)。
この回路図やファームウェアを参考にされる場合は事前に「免責・著作権・肖像権・リンク」のページを御一読願います（要は何か問題があっても責任持てませんよとか、自作するのは自由ですが販売とかを考えられるなら相談してねとか、そのあたりです）。
前回、自作の自動進角CDIを50ccカブに積んでみて効果が今ひとつ体感できなかった事を書きました。
その後、息子がもう一台ジャンクの50ccカブをボア、ストロークアップにより107cc化したので、そちらに積んでみたところ、効果が見られました。
はっきり効果が見られたのは低速側です。
純正CDIの点火タミングは全回転域で上死点前27度(BTDC27°)に固定されているのに対し、自作CDIはアイドリング回転数付近は17°に設定しています。これにより、まずキックスタート時のケッチンが発生し難くなりました。また走り出しの加速もスムーズです。
一方高速側は最大37°程度にしてみましたが効果があるのか無いのか判りません。50cc程度なら急な上り坂で全開走行を試せるかもしれませんが107ccともなると公道で試す訳にいかず、多分サーキットとかシャーシダイナモで試さにゃハッキリしない気がします。
いずれにしても50cc用純正CDIよりは良くなるので107ccカブではこのCDIを使います。
という事でもうちょっと安心できる形にしたいと思います。現在の状態（上の写真）だと雨の日は心配ですもんね。
という事で純正CDIと同程度のサイズになる様、以下の点を踏まえて作り直そうと思います。
・ArduinoNANOを載せるのをやめてATmega328pを直接載せる。
・コントローラーとの接続をUARTに変更する事で、本体⇔コントローラー間の配線本数を減らす。
・最終的には樹脂で埋めて防水する。
では下記の基板パターンで試作してみます。まずは切削で基板を作る予定。
・・・なのですが切削用刃物がだいぶ劣化していて上手く削れなかったので刃物入荷待ちです。
50ccエンジンだと効果が感じられなかったけど、107cc化したエンジンでは特に低回転側で効果がありました。
なお90ccカブの純正CDIが15°~28°の間で変化する様なので高回転側をあまり増やしても効果ないのかもしれません。実際はどうなんでしょうね？
どなたかこのCDIを試してみられますか？
先日ミニマム構成なCDIを作った事を書きました。今回は自動進角機能を盛り込んでみます。
※5/7追記：この記事で純正カブの進角を28度と記載していますが、正しくは
27度でした。 1度の違いで大きな影響はないと思いますが訂正いたします。
ここで言う進角とはエンジンの点火タイミングの事です。よくあるエンジンの行程説明ではピストンが上まで上がり切ったタイミング(上死点)に点火していますが、実際には混合ガスが燃え広がるのに時間を要するので上死点よりも少し早めにプラグに火を飛ばします。
この時どれくらい早めに点火するかをクランクの回転角で表し「進角xx度」と表現します。
我が家にある(1995年頃の)スーパーカブ５０では回転数に係わらず進角は28度辺りに固定されています。28度というのはピストンが上死点に達するよりもクランクが28度早いタイミングでプラグに点火する事を意味します。
情報によると90ccのカブでは15度～28度の自動進角CDIになっているとか。またDAYTONA製CDIをレーシングモードにすると22度～37度位を自動進角する様です。
スーパーカブ５０ではフライホイールの回転角をピックアップコイルが検出してCDIにパルスを送ります。CDIではこのパルスが入ったら即時プラグに点火するので、進角が28度固定となっています。
よって自動進角する為に28度よりも遅らせるにはアナログ的な遅延も可能ですが、進める事は簡単にはできそうにありません。だってピックアップパルスよりも早く点火信号を出すのですもの。。。
これを可能にする方法ですが、多分それ以前の回転数を元に次の回転数を予測し、ここぞというタイミングに点火するしかなさそうです。（車体側を改造してピックアップタイミングを大幅に進めてしまえば遅らせる処理だけで済みますが、改造のリスクが大きそうですし。。。）
この複雑な動作を実現するにはマイコンで処理するのが良いでしょう。
という事でピックアップパルスをマイコン(Arduino-Nano)に入力し、良い頃合いに点火信号を出す仕組みにしようと思います。
以下の回路でやってみます。
ACジェネレーターの電圧をコンデンサやサイリスタを使ってイグニッション信号を出す部分は前回のミニマムCDIと同じです。
違うのはピックアップコイルのタイミング信号をマイコン(Arduino-Nano)に入力するあたりで、このマイコンがタイミングを見計らってサイリスタのゲートを駆動します。
また設定変更用にコントローラーを接続する為の13pinのコネクタを設けています。
なおマイコンを動作させる電源は車体からDC12Vを貰う事にし、Arduino内部のレギュレータで5Vに落としています。
コントローラーは次の回路で、ボタン4つとLCD(よくある1602タイプのヤツ)を接続しています。
最終的には防水する必要があると思いますが現時点はこんな状態でテストしています。
フラットケーブルの先には設定用コントローラーが繋がっていて回転数毎の進角を変更できます。
またカブにはタコメーターが無いのでLCDに回転数を表示します。
コネクタで接続しているのでセッティングが決まったら取り外して本体のみで使用します。
Arduinoに入力するDC電源は写真の様な分岐線を作ってウィンカーリレーの配線から分岐しました。
まずArduino-NanoのEEPROMにマップデータを保存します。
マップデータは4点の回転数(1000,3000,5000,7000rpm)に対応する進角値とします。各数値の間は直線で補完し、1000rpm以下は1000rpmの設定値、7000rpm以上は7000rpmの設定値を用いる事にします。
グラフにすると下の様な感じ(具体的な値は実験中)。
動作としてはピックアップパルスが入る度にタイマーで一つ前からの時間を測定し、それを回転数に変換して上記マップに基づいた進角値を求め、次に点火するまでの時間を算出します。
この時、ピックアップタイミングの28度よりも点火タイミングが遅い場合と早い場合に応じて色々と処理が分かれます。
まず28度よりも遅い場合・・・
下図の様に進角28度のタイミングで車体からパルスが来るので、ここからAの時間分遅らせた赤線のタイミングで点火します。その後のTと書いたタイミングが上死点です。
28度よりも早い場合・・・
１周期よりも少し短いBの時間分遅らせて点火する事で、次の周期では28度よりも早い赤線のタイミングに点火します。
面倒なのは28度よりも遅い状態と早い状態を切り替えるときです。
遅い→早いに切り替わる場合・・・
切替りの周期ではA,Bの2発の点火信号が必要となります。
早い→遅いに切り替わる場合・・・
こちらは逆に全く点火させない周期が発生します。
遅角を予定していたのに次のパルスが来てしまった場合。。。
回転数が下がってくる上がっていく時には予定していた点火タイミングよりも先に次のパルスが来てしまう事も考えられます。その場合はとりあえず直ちに一発点火を発生させます。
ちょっと面倒でしょ。でもまあこれらの考えられるパターンへの対応をプログラムしていきました。
実車に繋いでタイミングライトを当ててみます。
本来ならアクセルを開けると回転数が上がるに応じて進角も進んでいく筈ですが、少し遅れて進角が進みます。特にアクセルを閉じた時は逆に進角が大きくなり、十分回転数が落ちてから進角が戻ります。
どうやら回転の加減速が早いので直前の周期が次の周期と同じ前提だと無理がある様です。
対策として回転数の加速／減速を加味して次の周期を予測する事にします。具体的には前2回分のパルス間隔の変化(＝加速度)が次も続くと仮定する事にします。
更に４ストロークエンジンでは一回転毎に燃焼する為パルス間隔も変動している可能性があるので一回置きに計算します・・・言葉で説明し辛いですが図にすると下の様になります。
これで動作させると下の動画の様にそれっぽい動作をする様になりました。
以上で思惑通りに動作していると思います。
そこで実際にカブで走ってセッティング中ですが、今ひとつ進角の効果が体感できません。
車体が古くて本来の性能を発揮できていない事も十分考えられます。。。
点火タイミングだけじゃ大きく変わらないのかな。。。もう少し試行錯誤してみます。
前回(タイミングライトの時)書いた様にCDIを作っています。
ネット上では色々試された先輩方がおられるので参考にしながら制作中。
なおCDIとはバイクの点火プラグに火花を飛ばす為の回路です。詳しくはこちら→Wikipedia CDI
上記Wikipediaにも書かれている通りCDIには交流式と直流式があります。
先日イジくったDioチェスタは直流式なのでCDI内部で直流12Vを2~300Vに昇圧し、これをコンデンサに貯めた後、一気にイグニッションコイルに流してプラグに点火します。ざっくり書くと下図の構造になっている様です。点火用の電源は直流12Vだけなので内部に昇圧回路が必要です。
最初はこれを対象に考えていましたが、Dioチェスタは息子が友達に売り払ったのでもうありません。
という事で今回は交流式のカブ系エンジン(カブ50とかJazz50。)を対象にしようと思います。
交流式のざっくりした回路は下図の様な構造。発電コイルが発生する交流が元々2~300VあるのでCDI内部では整流するだけで済みます。これはシンプルで済むのですが直流電源がCDIには入っていないので制御回路に複雑な処理(マイコンとか)を入れようとすると5V程度の電源が欲しくなって、これをどうするかを考える必要があります。
正規品CDIの動作に当たりをつけるため、Jazz50の波形を見てみました。
※注意：「正規品」と書いていますが中古バイクなので本当に正規なのかというと保証はありません。
まずステーターコイルからCDIに入ってくるAC入力。
AC入力は本来正弦波のはずですがCDI内の整流回路の影響でギザギザの波形になっています。
ここから想像混じりですが以下の動作をしていると思います。
まずフライホイール1回転で4サイクル分の交流波形が出て、整流した電荷を段階的にコンデンサに貯めていく。その後点火する事で電荷が抜ける・・を繰り返す。
LT-Spiceで試した結果、整流部分は以下の回路になっていると辻褄が合います(TP1の波形)。
ACジェネレータの内部抵抗は分からないのでとりあえず波形が近くなる値を入れました。
また回路中V2、IGNは電荷を抜く為にあります(実物ではサイリスタに相当)。
ダイオードD2がなぜ要るのかはわかりません。これが無いと負電圧期間が全然違う波形になりますが、それでも動作上は問題なさそうに思えます・・・負電圧期間にD1に加わる逆電圧を減らす為かな？という予想をしています。そうであれば今回使用しているダイオード(IN4007)は逆耐圧1000VなのでD2を無くしても良いかもしれません。
次にタイミング入力とイグニッションコイルに出力する信号を見ます。
CH1(黄色)がタイミング入力、CH2(青色)がイグニッション出力。
※２回分の波形が重なってしまいました。
タイミング信号は＋の山の後に－の谷が来るみたいですね。この内の＋3Vのあたりで点火している事が判ります。
最終的には進角・遅角機能を盛り込みたいですが、まずはとにかく動作するものを作ってみようと思います。
ネット情報を参考に最初に試したのは下の回路。
C1およびD1,D2でAC入力の振幅を2倍の直流に昇圧してC2に貯めておき、サイリスタ(TY625)にトリガを入れるとC2に貯めた電荷がイグニッションコイルから引き抜かれて点火する仕組みです。タイミング信号はQ1で受け、このままだと逆相になるのでQ3でもう一度反転してからサイリスタのゲートに伝えます。
AC入力を倍電圧整流にしたので上で見た波形にはならない筈で正規版CDIとは回路が違っていると思いますが、まずは確実に火花が飛びそうな方法にしています。またQ1,Q2を動作させるために外からDC5Vの電源を入れる必要があります。正規版CDIはDC電源は不要ですが、これも一旦確実に動作しそうな方式でやってみます。
ではバイク(息子が整備中のJazz50)に繋いで・・・
キックするとあっさりエンジンが掛かりました！！
では波形を見てみましょう。オシロを持ってきて・・・
まずはCH1:タイミング入力、CH2:AC入力。
予想通りAC入力はグニャグニャで正規版CDIとは違う波形になっています。
真ん中あたりのガクンと下がっているところが点火タイミングでしょう。
次にCH1はタイミング信号のままでCH2をC2の左側端子(ほぼC2の充電電圧を表示)に繋ぎ変えてみます。
※タイムスケールは変更しています。
C2は倍電圧整流の効果で600V以上にまで上がっていて、点火の威力はあると思いますがコンデンサやサイリスタの耐圧ギリギリなので、倍電圧整流は止めた方が良さそうです。
では倍電圧整流を止めるためにC1を短絡してみます。
これでAC入力としてはLT-Spiceで試した回路と同じになりますが、今度はエンジンが掛かりません。
掛からないながらもキックの瞬間に撮った波形は下の通りです（プローブは上と同じ接続）。予定通りC2は300Vに下がっています。エンジンが掛からないのは電圧が下がったためでしょうか?
ならば点火エネルギーを増やすため、C2に1μFを追加して計1.47μＦにするとエンジンが掛かりました。
(後で考えるとキャブレターの調子が不安定なのが影響していたのかもしれませんが。)
この状態でのCH1:タイミング信号とCH2:AC入力波形を見ます。AC入力は倍電圧を止めた事で正規品CDIと似た波形になっています。
次にCH1:タイミング信号とCH2:C2波形。
C2電圧が少し低くなっています。容量が増えた事で上昇が間に合っていないんでしょうか？
でもこの方がエンジンが掛かりやすいのは容量アップでトータルの電荷が増えているからかな。
結局、1.47μF(コンデンサ2個)は寸法的に大きすぎるので1μFに減らしたところ、これでもエンジンは回ったので1μFを採用します。本当は0.47μFと1μFの間も試して余裕がある事を確認したいところですが、そんなに高耐圧コンデンサを持っていないのです。
まず倍電圧整流は止めます。
あと5V電源もなくしたいですね。そうするとタイミング信号をバイポーラトランジスタで受ける事はできません。正規CDIがどうやっているのか判りませんが、たぶんそのままサイリスタのゲートに入れているのではないでしょうか？という事でタイミング信号をそのまま抵抗経由でゲートに入れてみます。この場合ゲート信号が－レベルの時、サイリスタのゲート逆耐圧である-5Vを超える危険があるのでダイオードD3で保護しておきます。
それとエンジンを停止させる機能が付いていなかったのでENの配線を追加しています(1号機では省いていたので停止させるのに手間がかかったのです)。バイクのキーをOFFにした時、ここがGNDに落ちるのでサイリスタがトリガーされなくなって停止します。
という事で2号機は下のかなりシンプルな回路にします。
（たぶん正規品もこうなっているんじゃないかと思っています）
これでもエンジンは掛かったので波形を見ます。
CH1:タイミング入力、CH2:AC入力
正規CDIと同様の波形になっています。
CH1:タイミング入力、CH2:IGN出力
特に何という事もないですがIGN出力を時間軸を拡大で見ました。
そして回っているところの動画。※音量注意。
なおピザのチラシは絶縁目的で敷いています。
実際のバイクで走行テストする為、同じ回路で小型版を作りました。
正規品とほぼ同サイズ(コネクタは電線経由ですが)。
適当にビニールテープで絶縁して息子のカブに積んで走ってみましょう。
（上で試しているJazz50はまだ整備中で公道を走れないのです）
カブの正規CDIを外して・・・
いい加減な方のCDIを付けます。
そして家の周りを５分程走ってみました。
特に違和感なく普通に走れるし、走行後も熱を持つ様子は見当たりません。
ミニマムなCDIを作成する事で理解が深まりました。たぶん正規品も同じ構造じゃないでしょうかね。
この後は進角/遅角機能を盛り込みたいのですが、マイコンを使うとすると上記の通りDC電源をどうするか問題が発生します。あんなガタガタで250Vもある電源から安定したDC5Vを作り出すのは難易度高そうです。空き端子から12Vを入れても良いのですが、そうするとバイク側の改造が必要です。でもできればCDIだけポン付けで交換できる様にしたいですし。。。
なおカブでも90CCのモデルだと進角機能付きのCDIを採用している様で、これがどうなっているのかは気になります。
先日の投稿以来、原付バイクの電装系が気になっておりCDIを作ってみたくなりました。
CDIというのはエンジンの点火プラグに火花を飛ばすための回路で、エンジンから来るタイミング信号を受けてイグニッションコイルに電流を流すという仕事をしています。
最終的には回転数に応じて微妙にタイミングをずらす（進角とか遅角）事を考えているので、そうすると実際の点火タイミングを確認したくなります。それにはタイミングライトなるものが必要です・・・が、持っていません。
タイミングライトというのは点火プラグに繋がるコードの被覆の上から電極を挟み込んで信号を取り出し、その瞬間にライトがピカッと光るという動作をします。その光でエンジンのフライホイールを照らすと、フライホイールが毎回同じ角度になった瞬間に照らされるので人間の目にはフライホイールが止まって見えるというものです。
フライホイールには点火すべきタイミングの位置に刻印がされているのでこの刻印がどの位置に見えるかによって思い通りのタイミングで点火しているかどうかを確認できるのです。
で、タイミングライトの構造をネットで調べてみました。昔からある市販品はカメラのストロボ同様のキセノン管を使っているそうで、ネット上では使い捨てカメラのストロボで自作されている記事が見当たります。
またLEDを使って自作されている方もおられます。
今回、使い捨てカメラを入手するのも面倒なので手持ちのLEDで試してみました。
なお特にLEDの場合は光量が低くて見づらかったという情報が多いので、この辺りを気にしながら作ってみます。
LEDでタイミングライトを作ると光量が足りないという問題ですが、ネットでよく見る例ではプラグコードから検出した信号をそのままトランジスタに入れてONした瞬間にLEDが光るという構造でした。
そこでプラグコードから検出する信号の幅を実測したところ2μS程度しかありません(これはバイクの機種や信号取り出し方法によって差があるとは思います)。
仮にエンジンが1000回転/分(以下rpm)で回っているとすると1回転に要する時間は60mSです。
この場合60mS毎に2μSだけLEDが発光するのでONしている割合は0.0033%。よくLEDを調光する時にPWMを使いますが、デューティー0.0033%でLEDを光らせる様なものなので、これはやっぱり暗いでしょうね。
という事でプラグコードから検出する信号幅に係わらず一定の時間LEDを光らせる構造にする必要がありそうです。
ではどれだけの時間光らせるかですが、まずはフライホイールが回る角度にして1度を目標でやってみる事にします。すると1000rpmの時、60mS/360度なので167μSですね。これでもデューティ0.28%ですが直接よりも80倍以上明るくなるだろうという目論みです。これで足りない部分はLEDに流す電流を増やしてみましょう。
で、LEDですが手持ちにこんなのがありました。12Vで7WのLED。これだと光量はたっぷりとれそうですが試してみると内部に諸々の回路が入っていて瞬間的な発光ができませんでした。
そこでいつだかジャンクで購入したチップLEDを使う事にします。定格100mA、瞬間的には150mA流せる事になっています。
これを2個直列で使用してみます。
という事で次のような回路で試してみました。
プラグコードから取り出した信号を４本のダイオードで電圧制限してQ1に入力します。Q1がONになるとQ2とQ3のワンショット回路をトリガーして一定時間分Q4をONにすることでLEDが点灯します。
なお電源には12Vを用いて抵抗経由でLEDに流しますが、ワンショット回路付近はレギュレータで5Vに落として使っています。5Vに落としているのは特に意味はなく、これも試行錯誤の痕跡です。
Q4のMOSFETは2N7000という、あまり大電流を流せるFETではありません。これはゲート容量を低く抑える為で、大容量のパワーMOSFETだとゲート容量も大きくなり遅延が発生するのを防ぐ目的です。
ワンショット時間はC2とR2で決まります。またLEDに流す電流はR5で決まります。試行錯誤の結果、これらの値は上記回路図に対し次の様に変更しています。
C2:0.01μF(回路図通り)、R2:68KΩ、R5:8.5Ω
これで発行時間を約170μSに固定しています。
またR5はLEDに瞬間的に流す電流を決めます。ここでは約0.7Aを流しているのでLEDもMOSFETも定格オーバーですが光量を得るためなのです。実際には1/360の期間しか点灯しないので平均電流だと余裕で定格に収まっているんですよね。実際どうなんでしょう。
そして実際に作ったのがこれ。C2,R2,R5のあたりに試行錯誤の痕跡が残っています。
またプラグコードからの検出には事務用クリップ(目玉クリップと呼ばれるやつ)に電線を繋いで、これでコードを挟んで点火信号を取り出します。
車体アースに接続するワニ口クリップも設けましたが、接続しなくても動作しました（目玉クリップも近づけるだけで点灯した）。
では実際のバイクでタイミングを見てみます。カブ系エンジン(Jazz50)のフライホイールです。
一応「F」マークの位置が見えていますね。
但しLEDの点灯時間が170μS固定なので1000rpmで回っている時はフライホイール1度の期間点灯しますが、仮に1万rpmで回ると分解能10度となってしまい広すぎます(それにLED点灯のデューティも1/36となり破壊のリスクも高まる)。
実際上の動画で若干ブレて見えるのは回転数が高めだったので1度を超えているのだと思います。
できれば回転数に係わらず1度の期間だけ点灯させたいですね。これをアナログ回路で実現するのは難しいので次の試作ではマイコン(Arduino)に頼ることにします。
Arduinoで制御しますが、そのまま入れるのは勿体ないので裸のATmega328PにArduino UNOのブートローダを書き込んで使いました。
プラグコードから検出した信号はQ5経由でArduinoのD2端子(ATmega328PのPD2)に入力して割込みを掛けます。
するとD5端子(ATmega328PのPD5)から一定期間のパルスを出し、これをパワーMOSFETのゲートに入れてLEDをドライブします。
今回はマイコンのGPIOがゲートを叩くので多少ゲート容量が大きくても影響は少ない事を期待してパワーMOSFET(手持ちの2SK2252)を用いる事にします。
パワーMOSでドライブすると大電流を流せるのでLEDも2直列×3並列の計6個を光らせてみます。
LEDと制限抵抗は回路図に含まれていませんが下図の様に接続しました。
LEDの定格Vfが3.1V×2個で電源が12V、よって合成抵抗5Ωには5.8Vが加わります。なので各LEDの瞬間電流は1.16Aとなり、定格に対して10倍位多いですがデューティ1/360なので耐えてくれる事を期待しています。
実際手で触った感触では全く温度が上がった様には感じられませんが、もし壊れる様なら電流を減らそうと思います。
LED基板はこんな感じ。抵抗は裏側に付けています。
一方Arduinoのスケッチでは点火信号の間隔を測定しておき、それに比例してワンショットの発光時間を決めています。これにより回転数に係わらずフライホイールが1度回転する時間だけLEDが点灯します。
また点火信号による割込みからLEDオン迄の時間を最小にするため、DigitalWrite関数は使わず直接PORTDレジスタに値を(1バイトまとめて)書き込んでいます。なので後述する液晶ディスプレイはPORTDを避けた端子に接続しました。
なお割込み処理の内部ではdelayMicroseconds関数を使って時間待ちをするという無理やりな事をしています。もしかするとこれによりmicros()関数や1秒タイマーの精度に影響があるのかもしれません。このあたりはArduinoのシステムの動作をきちんと調べるべきですが、影響しても1/360なのでとりあえずこのまま進めます。
そして折角マイコンを載せるのならと液晶ディスプレイに回転数を表示してみました（1秒毎に割込みを掛けてその間のパルス数から算出しているだけなので分解能は高くないです）。
実際動作させてみた時の写真。上とは別のバイクなのでタイミングマークが分かりにくいのですが、明るくはなっているし回転数を上げてもタイミングが見えています。
このままだと使いづらいのでケースに入れたいと思います。
ただ電源に12Vを入れるのは面倒なので006Pの角型9V電池にしました。これによりLEDに流れる電流は約半分になり、少し暗くなりましたがまあ使えます。制限抵抗を減らしても良いのですが当面このままで試してみます。
測定中の動画
以上で点火タイミングを確認できるようになったのでCDIを作れる準備ができました。
で、対象とするバイクは当初は先日修理したDioチェスタを予定してしていたのですが、息子が友達に売り払ってしまった（原付バイクが沢山あり過ぎて邪魔だといったのは私です）のでカブ系エンジンのバイクに変更しようと思います。
Dioチェスタはバッテリー式CDIだったので12Vから250V程度に昇圧する必要がありましたがカブ系は最初から250V程度の交流を元に点火するのでCDI内部では整流するだけで済みます。
実はもう実験を始めているのですが、それはまた次のお話・・・。
最後に参考用としてArduinoのプログラムを載せておきます（言うまでもないと思いますが、これを参考にされて何か起こっても責任は持てません）。
先日液晶表示のタコメーターを作りましたが、液晶ディスプレイが小さいのと昼間はコントラストが低くて見づらかったのでステッピングモーターに置き換えて針を振らせてみました。
反射光でもバックライトでも見えるというディスプレイですが、はやりちょっと見づらいのです。
ステッピングモーターはAmazonで2個￥1940円で購入。
X27-168という型番で、CNCや３Dプリンタで使う様なヤツではなく、下の写真の様にメーター用の軽量のものです。
このモーターはこちらのブログで紹介されていました。
またデーターシートはここで発見しました。
元々付いていた(壊れた)タコメーターと比べるとこんな感じ。電子回路が別に必要だとしてもかなり小さくて済みそうです。
ところでこのステッピングモーター、2相のバイポーラ動作ですがコイルの駆動が5V／20mAで済むのですね。
という事はAtmega328PのArduinoで直接駆動できます。改めてAtmega328Pの絶対最大定格を見たらI/Oピン電流は40mAと書かれています(20mAだと思ってたのでギリのつもりでしたが、実は結構余裕だったのね)。
また通常動作（マイクロステップ等にしない場合）では、1ステップで1/3度回るのでタコメーターの分解能としては十分です。
回路的には先日作った液晶方式からディスプレイを取り外し、ステッピングモーターの配線4本をつないだだけ。
あ、あとパルスを割込みでカウントするため、入力ピンをD５→D２に変更しています(Atmega328PのArduinoで割込みを使うにはD2かD3に入れる必要があるので)。
パネルへは新たな穴を開けて直接モーターを取り付けました。
不要になった穴は夜間に光が漏れそうなので裏からプラパテで埋めたのち、表から黒塗りしています。
取り付けにちょうど良いサイズのタッピングビスが手持ちになかったので、モーターの取り付け穴(元々Φ1.85)にタップを立ててM2ネジで取り付けました。
指針は元々付いていたものを使うのですが、軸の太さが元のメーターだと0.8mmに対し、今回のモーターは1mmと太くなります。
そこで指針の軸穴を0.95mmのドリルで拡大したら丁度良くなりました。
因みに0.95mmのドリルは写真のセットに含まれています（Tinyドローンの軸拡大にも時々0.95mmを使うので単品で買っておきたいのですが売っているのを見かけません。通販で買っとけばよいのですが）。
そして一通り接続したところ。。。
前回はゲートタイム200mSでパルスをカウントしていましたが、低回転での分解能を改善するため1パルス毎に割込みをかけてArduinoのmicros()時刻からパルス間隔を測定しています。
モーターコイル２本のそれぞれ両端に加える電圧は以下の配列を用意しておき順次切替えています。
// 各ステップの端子状態
int coil1a[]={1,1,0,0,0,0};
int coil1b[]={0,0,0,1,1,0};
int coil2a[]={1,0,0,0,0,1};
int coil2b[]={0,0,1,1,0,0};
アイドリング時の振れが大きいです。
またキーをOFFした時に0rpmに戻らずその場で止まってしまうのがカッコ悪いですね。
まず振れが大きい問題についてはソフト的にローパスフィルターの処理を強目にしました。
次にキーOFF時の動作ですが、OFFの瞬間に電源が切れてしまうと0に戻せないので、戻すまでの時間分の電力を貯めておく必要があります。なら電解コンデンサでしょうね。
ざっくり計算で10000μF程度をつけたいところですが手持ちにないし大きすぎるので試しに4700μFを、ArduinoNANOのレギュレータに供給している12VとGND間に付けてみました。
・・が、キーOFF時に0rpmには戻りませんね。
でもこれは想定内。単に12VとGND間にコンデンサを繋いだだけではコンデンサに貯めた電荷は車体側にも流れてしまうのであっという間に放電し、タコメーター側に供給する電力は僅かになってしまいます。
これを防ぐため、バイクから供給する12Vとタコメーターの間をダイオードで分離してみます。また電源ON時にガバッと流れるのがイヤなので抵抗とダイオードをパラにつないで下図の様に接続しました。
これでコンデンサの容量を替えて試したところ2200μFでOKですが1000μFだとダメ。よって少し余裕を持たせて3300μFを取り付けました(4700μFの方が安心ですが50V品で大きくてケースに入らないのです)。
実際の配線は下の様なのを作ってギボシ端子接続に割り込ませています。
コンデンサはテープで貼り付けました。この位置ならケース内に納まります。
指針の揺れがかなり納まり、キーOFF時に0rpmに戻る様になりました。
しかし実際に走ってみると、アクセルを開けている間だけまだ揺れがすこし大きいですね。
もう少しローパスフィルターを強めに効かせようと思いますが、またメーターを外すのが面倒なので次回バラす機会があればやろうと思います。
参考に今回のプログラムを載せておきます。
前回書いた通り、基板化する前にBlackBoxを動作させてみます。
BlackBoxとはフライトコントローラー(以下FC)が諸々の情報をログとして記録する機能です。
ログの保存先としてBetaflightがサポートするメディアには、OpenLog基板、SDカード、SPIフラッシュIC 等があります。
OpenLogはSparkFun(SwitchScienceでも取扱いがある様です) のロギングデバイスで、FCには外付けする事になり機体内のスペースを取るため今回はパス。またSDカードは安くて大容量なのが魅力ですがカードコネクタがFC基板の面積を喰い設計が難しくなりそうなので、もうちょっと腕が上がってからにします。
という事で今回はSPIフラッシュを使ってみようと思います。
BetaflightがサポートするSPIフラッシュICはこちらのページに記載されている下記のデバイスで、この中から16MBのW25Q128を購入しました。
接続は電源とSPI信号をつなぐだけ・・・。
Betaflightのターゲット定義ファイルtarget.hに以下を追記しました。
SPI3に接続しています。
#define USE_SPI_DEVICE_3
#define SPI3_SCK_PIN PC10
#define SPI3_MISO_PIN PC11
#define SPI3_MOSI_PIN PC12
#define USE_FLASHFS
#define USE_FLASH_M25P16
#define FLASH_SPI_INSTANCE SPI3
#define FLASH_CS_PIN PA15
#define ENABLE_BLACKBOX_LOGGING_ON_SPIFLASH_BY_DEFAULT
気になったのは’USE_FLASH_M25P16’の行。M25P16は2MBのメモリーですが今回接続するW25Q128は16MBです。このあたりの設定は不要なのでしょうか？ 他のFCの設定を見ても特に容量を指定する箇所もなく、単にM25P16を指定しているの様なのでこのままやってみます。
ファームをビルドしてFCに書き込み、BetaflightConfigratorから接続してみると・・・
ちゃんと16MBとして認識しています。
適当に動作させたログをPCに取り込み、Blackbox Explorerで結果を見てみました（FCは机に置いたままなのでジャイロや加速度センサーの値は全く動いていませんけど・・）。
動作は大丈夫そうです。
いよいよ基板設計を開始しました。一般的な一辺35mmの正方形に収める予定ですが、手ハンダも考慮してSMDパーツのパッドを大きめにしたため、面積的に結構厳しいです。くじけたら35mm角は諦めて基板サイズを広げるかもしれません。
フライトコントローラーを自作してみる。
フライトコントローラーを自作してみる。～その2～
フライトコントローラーを自作してみる。～その3～
フライトコントローラーを自作してみる。～その4～
フライトコントローラーを自作してみる。～その5～
フライトコントローラーを自作してみる。～その6～
フライトコントローラーを自作してみる。～その7～ リフロー炉
フライトコントローラーを自作してみる。～その8～
フライトコントローラーを自作してみる。～その9～ 動作確認
フライトコントローラーを自作してみる。～その10～ FPVで飛ばす。
フライトコントローラーを自作してみる。～その11～ Rev2基板
フライトコントローラーを自作してみる。～その12～ Rev2基板組み立て
フライトコントローラーを自作してみる。～その13～ Rev2基板動作確認
フライトコントローラーを自作してみる。～その14～ マイコンパワーアップ検討
フライトコントローラーを自作してみる。～その15～ 基板データ公開
フライトコントローラーを自作してみる。～その16～ JDLで飛ばす。
フライトコントローラーを自作してみる。～その17～ F7マイコンを載せる。
フライトコントローラーを自作してみる。～その18～ またまたF7
フライトコントローラーを自作してみる。～その19～ F7マイコン購入
レーザー管が劣化してしまいました。
前に冷却水をこういうのにした事を書いたのですが・・・
あまり冷却が弱いとレーザー管が劣化するという事を読んだので直ぐに元の風呂水ポンプに戻していました。
この状態で使っていても徐々に劣化感はあったのですが、先日MDF材を切っていたら途中でレーザーが出なくなっていました。みるとポンプが壊れてセンサーが水流を検出しなくなり、レーザーを停止させていた様です。
ポンプはもうウンともスンともいいません。でもこれは予備として買っておいたこちらの水中ポンプに交換します。
これで水は依然よりも良く流れるようになったのですが・・・・レーザーが弱々しくなり、フルパワーでも2.5mm厚のMDFが切れなくなってしまいました。
水流センサーが働いてレーザーは止まっていた筈ですが、余熱が逃げないだけで劣化してしまうのでしょうか？
とりあえずレーザー加工機のない生活は考えられないので新たなレーザー管を発注しましたが、新型コロナで世の中おかしくなっているこのご時世、いつ届くのでしょうか？
ドローンレースの練習をしていると色々なところを壊します。
ほいほい堂本舗は貧乏性なのでできる限り修理して再利用したり、また可能なところは自作してみたくなります。
という事でフライトコントローラーを作ってみたいと思います。フライトコントローラーとは一言でいうとマルチローター系の機体を制御するマイコンボードです。固定翼の飛行機は構造的に自立安定して飛行しますが、これと違ってマルチローターは特に制御しなければ安定して飛び続けられません。そこでジャイロや加速度センサーで機体の姿勢を検出しどのモーターをどの程度のパワーで回すかを決めるのがフライトコントローラー（以下FCと略す）です。
近年の(ホビー系の)ＦＣは殆どがSTマイクロエレクトロニクス製のSTM32Fxx マイコンが使われています。これにジャイロ/加速度センサーを載せるのですがマイコンとの接続はSPIやI2Cですし、モーターを回すためのドライバ(ラジコン界ではESCという)へはPWM(およびその変形)で信号を送るので、ほぼマイコン工作で作れそうです。
またソフトについては優秀なオープンソースのファームウェアが多数出ているのでこれらを用いることができます。
といっても、いきなりプリント基板を作る勇気はないのでまずはマイコンボードを使って動作を確認してみます。マイコンボードにはSTM32F411 Nucleo-64を使う予定。
全体像はこのブロック図の様に考えています。このうち水色で囲んだ部分をここではフライトコントローラー（ＦＣ）と呼ぶ事にします。
実用的にレースで使うにはこの他にOSD(On Screen Display：FPVの映像に諸々の情報をスーパーインポーズして表示する機能)も必要になりますが、まずは飛べる事を確認出来た後でこれらも試したいと思います(実はOSD用ICも入手済)。
ファームウェアはいつも使っているBetaFlightを書き込む予定ですが、その前にファームウェアをビルドする環境を作っておこうと思います。
BetaFlightのビルドはUNIX環境上で行うのが基本となっている様で、Windows上のWSL(Windows Subsystem for Linux)でも実行できます。詳細はBetaflight Wikiのこのページに説明されており、この通りにやれば構築できました。
手順通りに構築するとWSL環境内の~/Git/Betaflightというディテクトリ以下にファイル一式ができています。更に下には~/Git/betaflight/src/main/targetというディレクトリがあり、ここには下図の様に各種ＦＣ毎の設定があります。
このディレクトリ下に今回作るＦＣ用として’HOIHOIF411’というディレクトリを作るのですが、まずは似たＦＣである’MATEKF411’の内容を丸コピーし、そこから変更していくことにします。
HOIHOIF411ディレクトリの中にはtarget.mk、target.h、target.cの3本のファイルがあります。ここら辺の詳しい説明資料が見つからないのですが、この３本のファイルを変更するとそれぞれのFC固有のファームウェアが出来上がる様です。で、いろいろ試行錯誤した結果のファイルを添付しておきます。→HOIHOIF411.tar.gz
targetディレクトリの設定ファイルができたらカレントディレクトリを
~/Git/Betaflight に設定し、ここで’make HOIHOIF411’とコマンドを実行すると ~/Git/Betaflight/binの下にファームウェアが出来上がります。このファイルをBetaflightConfiguratorのファームフラッシャーを使って書き込んでやる訳です。
当初ジャイロ/加速度センサーにはモーション・フライトシミュレーターで使ったので手元にあった MPU6050ボードを使ってみました。市販のＦＣは大抵SPIで接続できるセンサーを使っていますがMPU6050はI2C接続専用です。一応これもBetaflightにサポートされているっぽいのですが、しかし何故かうまく接続できません。mbedで書いたプログラムだとセンサー値を取れるのですがBetaflightのファームからは取れないのです。
そうこうしている内にポチッていたMPU6500ボードが届いたのでこれをSPIで接すると問題なく接続できました。 名前が似ていてややこしいですがMPU6500はSPIで接続するタイプで市販のＦＣでも結構使われています。
どのみち最終的にはMPU6500を使うつもりなのでこれで行きます。
こんな感じで行こうと思います。
NucleoボードはArduino互換ソケットが付いているので、なるべくこれを利用する事で、Arduino用シールド基板を使って配線し易い様にします。
なおOSDは後で追加予定です。
動作確認用に、息子が作って今は使っていないこの機体に乗せてみます。
まずはブレッドボードで動作を確認して・・・
大体動作したのでArduino用シールド基板上に回路を載せて・・・
機体に乗せてみます。
で、飛ばしてみると・・・一応浮き上がるのですが斜めに振動して止まりません。
原因調査中ですが、市販のFCに載せ変えても同じ様に振動するのでFCの問題ではないのかもしれません。
この続きは後日・・・
フライトコントローラーを自作してみる。
フライトコントローラーを自作してみる。～その2～
フライトコントローラーを自作してみる。～その3～
フライトコントローラーを自作してみる。～その4～
フライトコントローラーを自作してみる。～その5～
フライトコントローラーを自作してみる。～その6～
フライトコントローラーを自作してみる。～その7～ リフロー炉
フライトコントローラーを自作してみる。～その8～
フライトコントローラーを自作してみる。～その9～ 動作確認
フライトコントローラーを自作してみる。～その10～ FPVで飛ばす。
フライトコントローラーを自作してみる。～その11～ Rev2基板
フライトコントローラーを自作してみる。～その12～ Rev2基板組み立て
フライトコントローラーを自作してみる。～その13～ Rev2基板動作確認
フライトコントローラーを自作してみる。～その14～ マイコンパワーアップ検討
フライトコントローラーを自作してみる。～その15～ 基板データ公開
フライトコントローラーを自作してみる。～その16～ JDLで飛ばす。
フライトコントローラーを自作してみる。～その17～ F7マイコンを載せる。
フライトコントローラーを自作してみる。～その18～ またまたF7
フライトコントローラーを自作してみる。～その19～ F7マイコン購入