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Arduinoでプラレールを動かす、走行性能を測定

◆まえがき
プラレールいじりも 前回の記事の速度のPID制御 で一段落したので、途中で取得したデーターを整理して特性などを再確認してみたいと思います。

プラレール
これは3両運転の状態です。

◆誘導電圧とモーター回転数の関係
モーターの通電を短時間止め、その間に回転子から発生する誘導電圧を測定することでモーターの回転数を推定しています。そのためには誘導電圧と回転数の関係を把握しておく必要があるので、実際に測定を行いました。結果は以下の通りです。

・誘導電圧に対するモーター回転数(グラフ-1)
誘導電圧に対するモーター回転数
誘導電圧の値をオシロで測定し、その時のモーターの回転数を 自作のストロボ回転計 で測定しました。モーターの回転数はギアボックスの後ろ側にモーターのシャフトが出ているので、そこに目印を貼り付けて測定しました。

グラフは僅かなオフセットがあるものの綺麗な直線になっていました。言わばタコジェネみたいなものなので当然です。

このグラフの傾きが電圧に対する回転数の感度になります。そこで、プログラムでは、

#define K1 37.83 // adc測定値からrpmの値に換算する定数。誘導電圧感度=7748rpm/1Vだったので、7748*5.0/1024=37.83

とやって、ADコンバーターの1LSBに相当する回転数(rpm)の換算係数(K1)の値として使用しています。

◆ラップタイム
12レールオーバルコースを使い、速度(rpm値)に対する周回のラップタイムを測定しました。Xにポストした測定の様子。
12レールオーバルコース:直線レール4本、曲線レール8本で構成した楕円形コースで一周の距離は 216 x ( 4 + 8 x π/4)= 2220.5mm


・設定回転数とラップタイム(グラフ-2)

設定rpmに対するオーバルコースラップタイム
可変抵抗で回転数(rpmの値)を設定して走行させた時のラップタイムです。2両と3両の状態で測定を行っていますが、グラフはほとんど一致していて速度に差は無かったことが判ります。速度をフィードバック制御しているのだから、こうでなくては困ります。

以上、大雑把に見るとうまく行っている感じですがもう少し詳しくデーターを見て行きます。

・回転数設定値と走行速度の関係
コース1周の距離は2220.5mmなのでグラフ-2のラップタイムから走行速度を計算すると以下のグラフになります。
表示回転数に対する速度実測値
直線なのですが、オフセットがあって少し上にズレています。

プログラムの中でADCの値(V0)に対し,以下の式で実際の速度の値を指定するようにしているのが影響となって現れたのだと思います。
 setVal = v0 * 0.17 + 10.0; // 制御可能な範囲になるように調整(制御パラメーターをシリアルプロッタで見て確認すると良い)

小さな値を指定してもモーターは回転しないので、この式にあるようなオフセットを入れたのだと記憶しています。でも、今になって考えると、余計なことはしない方が良かったかも知れません。

・設定値1rpm当たりの速度
回転数に対する1rpm当たりの速度
オフセットがあるので、rpmの値に対する感度は一定では無くなってしまいました。

◆まとめ
設定値(rpmの値)に対する実際の車両の運転スピードを詳しく調べてみました。2両と3両の違いではありますが、負荷が変わっても運転速度は影響を受けておらず、PID制御による速度フィードバックの効果が確認出来ました。

rpmの設定値に対する実際の速度の傾きが原点を通らないのが少し気になりますが、とりあえず実害は無いのでこのままにしておこうかと思います。

これで特性の測定も終わったので、一連のプラレールの速度制御の実験は一旦終了としたいと思います。回路をブレッドボードからプリント基板に移して小型化し、車体の中に収める作業が残っていますが、どうせやるならリモコン制御化なども同時にやってしまいたい気もします。そんなことで、もう少し考えてから進めたいと思います。
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繰り返し演技できるデモ走行

矢継ぎ早の連続記事でコメントのタイミングを失いましたが、興味深いお話でした。とりあえず最新のに付けます。

材料はお安くゲットできたようでよかったです。近場のオフ店じゃなさそうだけど、動力車も被牽引車も同額とか、任意のレールで10本幾らなんて売り方は、初めて見ました。

それはさておき、ミニルーターの頃から構想されてた鉄道模型の制御が実現して拍手です。てっきりNゲージなどでレール給電を制御するのかと思ってましたが、まさかの車両搭載・電池駆動でした。

現状は様々な状況への対応を試行されてるんだと思いますが、プログラム搭載の車両となると、いろいろ夢が膨らみます。放っておいて自動デモ走行するイメージで、ちょっと提案してみます。

・直線部を駅に見立てて、手前のレールに何かを埋めてセンサーで検知。駅を出てから順次加速し、2周くらいは巡航速度で駅を通過し、規定カウントに達したら、減速して停止位置ぴたりに停車。20秒休んで繰り返す。
(センサーは色々ありそうですが、ギャラリーから見えないマグネットとかICタグとか)

・発進時のシカケとして、消えてた車内灯・前照灯尾灯が点灯するとか、汽笛一声、警笛BEEPが鳴るとか。

・駅の反対側にトンネルとか鉄橋を模しておいて、進入時に警笛短くならすとか。これは駅近くのセンサーを使って通過時は警笛でもいいですね。

店頭などで見かけるジオラマ・レイアウトを周回してる模型って、まずは一定速度で回りっぱなしなんで、デモ周回でこんな演技ができたら、ギャラリーを引きつけますよね。

ただ、新幹線編成には似合わないかもしれません。個人的にはEF58の短い警笛音が好みです。

re:繰り返し演技できるデモ走行

速度を任意に制御出来たらいろいろと面白そうですよね。マイコンなのでいろんなことが出来そうです。

Nゲージもちょっと考えたのですが、車両に組み込むことを考えると小さいので難易度が上がるのでプラレールにしておきました。

ちなみに、素材のプラレールは鎌倉街道沿いのビックモーの近くにあるブックオフで手に入れましたが、纏め売りで安かったので助かりました。あと、追加の直線レールは矢野口のハードオフで買ったのですが、こっちはレールを安く纏め売りとかしていなかったですが、これが普通なんですね。
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