Ｈ８マイコンによるコントローラ（部品選定）

Last update: <2017/03/01 18:17:12 +0900>
    ハプティックコントローラを設計するにあたり，どのような機材が適しているのか，構成要素の選定をおこなった．ここでは，それぞれの構成要素に要求される仕様を整理し，選定の過程を記述する．

  1. マイコン部

    2. 　マイコン部では，コンピュータとの通信，AD変換の指令，モータへの出力の指令などをおこなう，いうなればコントローラの司令塔である．したがって，マイコンの処理能力がコントローラの性能を左右するといってよい．まずマイコンに要求されるスペックを整理し，具体的な制御方法について述べる．

    　DCモータを制御する手法として，もっとも広く使われているのはPWM制御である．詳しい原理は後述する．少し乱暴に説明すると，ディジタル系回路からアナログ値のエネルギーを取り出すのに，とても効率が良い方法である．したがって，マイコンにPWM信号の出力機能があれば良さそうである．モータを3つ駆動させるので，PWM出力が3つ備わっていることは必要条件である．

    　次に実行速度である．前述したサーボレートが速ければ速いほど，精度の高い制御が可能となる．経験則だが，フォースディスプレイを制御するサーボレートが50Hzから500Hzと10倍異なると，触っている感覚の違いは十分体感できる．速ければ速いほどよい．


    図２．１：秋月電子製H8-3069LANボード


    　ここでは秋月電子製H8-3069LANボード（図２．１）を選定することとなった．PWM出力を3つ備えており，CPUは20MHzで動作する．また，LANインタフェースを持っていることも大きな魅力である．

    （以前はこのLAN接続を活用し，プロトコルスタックによるTCP/IP接続を使って研究を重ねてきた．しかし，通信速度に限界があることがわかった．特にパケットの飛び交う通信環境では速度が思うように上がらず，200Hzを越えられないことがわかった．現在はLANインターフェースを利用せず，RS232Cによるシリアル通信をおこなっている．）

    　ところで，H8-3069のハードウエアマニュアルによると，このマイコンにはAD変換ポートが8ch備わっている ．当初，このAD機能を利用しようと考えていたが，10bitの分解能で，十分な性能とはいえなかった．また，AD変換器はノイズに弱く，故障するとマイコンごと交換することになりリスクが大きい．そこで，外部に高性能な別のAD変換器を備えることにして，マイコンからAD変換器を制御することにした．


  2. ＡＤ変換部

    3. 　マイコンに搭載されているAD変換より高性能なものとして，マイクロチップ社製のMCP3208を選定した（図２．２）．AD変換ポートが8ch，分解能が12bitで5V動作となっている．カタログスペックでは最大で毎秒100kサンプルであり，速度も十分である．ただし，マイコンとの通信手段はシリアル通信(SPI)となっており，この通信ドライバは自分で用意する必要がある．

    （なお，このチップは故障しやすい．電源ラインや信号ラインに少しでも変なノイズが乗ったり，帯電した手で触ると，正しい値を返さなくなる．通信は出来たりするので，正常なのか異常なのかわからず，始末が悪い．うっかり触らないように注意すべきである．）


    図２．２：8ch 12bit AD変換チップ MCP3208


  3. モータアンプ部

    4. 　モータアンプの選定で着目すべき点は，定格電流である．定格電流が大きいものほど出力が大きいといってもよい．また，PWM駆動できるほどスイッチング性能が高いものが好ましい．また，Ｈブリッジがモジュール化されているのが扱いやすくてよい．以上の条件に適したものを比較してみる．ちなみに，フォースディスプレイに利用しているモータは日本サーボのDME37BBで，定格電圧は24Ｖ，停動トルク時の電流はおよそ3Aである．


    1. L6203

      2. 　電源電圧は最大52Ｖ，最大実効電流が4A，ピークで5Aである．1000円程度で市販されているが，やや入手しづらい．

    2. TA8429H

      3. 　電源電圧は7〜27Ｖ，定格出力電流が3.0A，ピークで4.5Aである．500円程度で市販されており，よく見かける．使用する熱くなることがある．

    3. TB6549HQ

      4. 　電源電圧は〜30Ｖ，定格出力電流が3.5A，ピークで4.5Aである．750円程度．DIPパッケージ版のTB6549Pもあるが，TB6549HQより定格が小さく400円程度である．実状はわからない．

    4. MP4507

      5. 　電源電圧は〜100Ｖ，定格出力は5Aである．600円程度であるが，10年前に使っていたもので，現在も取り扱いがあるかどうか不明である．また，PWM制御に耐えうる応答性があるのかも未確認である．

    　以降では， L6203とTA8440を用いた回路設計を取り上げる．

  4. 電源部

    5. 　モータ制御に耐えうる容量の電源を選定する．ここでは24V電源として，和泉電気社製のPS3N-F24A1Nを利用した（図２．３）．商用交流電源100Vを入力し，24V6.5Aを出力可能である．使用しているモータの定格は最大で3Aであり，全部で3台あることから，本来なら9A必要であるが，全モータが最大出力になることは，運用上ありえないし，危険を伴うことでもあるため，出力6.5Aである本装置を選定した．


    図２．３：定電圧電源（PS3N-F24A1Nは一番左）メーカサイト


    図２．４：DC-DCコンバータ　HRD051R5E


    　一方，マイコンなどの論理回路系を駆動させるには，TTLレベルである5V系の電源が別途必要となる．商用電源からACアダプタを介して5Vを取ってもよいが，電源コネクタの浪費を嫌い，24Vから5Vを取り出すことにした．三端子レギュレータを使うとドロップ電圧が大きいため効率が良くない．そこで24Vから5V1.5Aを取り出せるDC-DCコンバータとして，入手性にすぐれる新電元工業社製のHRD051R5Eを選定した（図２．４）．


戻る