マーティーの工房日誌: 小型工作機CNC2418 その79（スピンドルモータのSoft Start／Stop制御回路）

始まりは、この時、このハイスビットを使って

DREMEL 4000で5mm厚のアルミ板を削った時にとても楽に削れたのです。
回転数：5000～32000rpm可変ですが、Maxで使ったことはなく
7000～8000rpmでやったと思います。
DREMEL 4000の定格を調べるとAC100V仕様で135Wなのです。
いよいよスピンドルを強化したくなってきました。

今使ってる775タイプのスピンドルモーターは、
12Vで1.7Aらしいので、20Wしかありません。
24Vだと単純に倍しても、たかだか40Wなのです。
CNC2418にも、せめて100Wはつけたいな～
でも、モーターマウント径が45mmなのです。
775は、42mm径ですが、鉄板が巻いてあり45mmになっています。

なのでモーターの選択肢は、42mmということになりますが、
この辺りがほとんどで、ブラシレスなので高いんです。
コントローラーも別にいるし...
US$ 70.63（25% OFF、送料 $16.64）

AliExpress.com Product - 250W 53Ncm 12000rpm DC 24V Brushless spindle 42mm motor ER11 Collets for CNC drilling milling Carving Metal plastic wood working

しかも、モーターを冷却するファンがないので
こんなヒートシンクをつけるしかなさそうですが、
モーター自体をどうやって取り付けるかという問題がでてきます。
これはこれでかっこいいのですが...
US$ 5.62（送料 $3.26）

AliExpress.com Product - RC Alum. Alloy Motor Heatsink CNC 4010 40*40mm Fan For Brushless Motor 42mm Hobbywing Leopard Castle 4274 1515 812 T8 42684272

直径52mmだとブラシモーターがあり、安く手に入ります。
300WでもUS$ 35.84（20% OFF、送料無料）なのです。
ちなみに、200Wは、US$ 27.2（20% OFF、送料無料）
500WでもUS$ 45（20% OFF、送料無料）です。

AliExpress.com Product - 200w/300w/400w/500w Spindle Engraving Machine Spindle Motor Air-cooling cnc Spindle DC Motor CNC Engraving Machine ER11 3.175mm

もやもや悩んでいると
YYさんから愛用されてたものを譲っていただくことに＼(^o^)／
・・・ほどなくして届きました！
上の写真によく似てて、定格ラベルは剥がれてますが、
300Wか400Wとのこと(・o・)

上のAliExpressで寸法図を見ると
本体長 90mmのこれと同じなので300W品のようです。
400Wだと本体長 100mmです。

ついでに定格を見ると
12V 3000rpm、24V 6000rpm、36V 9000rpm、48V 12000rpm
のようです。
300Wだと48Vで6.25Aということになります。

電圧かけていって、回転数と電流を見ていくことにします。
可変電源は、0～48V 10Aのこれ使います。
本体にVRと電圧計が付いてて、なかなか重宝します。
US$ 32.29（50% OFF）

AliExpress.com Product - Switching Power Supply Transformer Adjustable AC 110/220V to DC 0-48V 10A 480W with LCD Display

回転数の測定は、約２年前に「小型工作機CNC2418 その８」でやった
この６枚羽根を使います。
この時は、厚紙をブルー・レーザーでカットしましたが
当時は、Fusion360のCAM設定にとても苦労しました。

Φ２０mmです。

羽根に3mmのボルトつけて、コレットで取り付け

52mm径のモーターを装着できるCNCは工房にないので
木材の端切れの超簡易Ｖブロックに乗せて

モーターを固定します。

テーブルごと固定しています。
これで少々反動があっても転げることはないでしょう^^;

回転数計用のセンサーも同じく「小型工作機CNC2418 その８」で使った
古いマウスの基板をそのまま使います。
ジャーマンスタンドで回転羽根とセンサー位置を調整します。
6枚羽根なので、回転センサーからのパルスは、丁度rpmの1/10がでます。
つまり周波数カウンタの値を10倍すれば、rpmを直読できるというわけです。

測定器類をセットして配線終わりました^^;
左上から、センサー用5V電源、モーター用0～48V電源、クランプ型DC電流計
左下は、周波数カウンタ（x10でrpm値）

では、開始！

お～っ！0.98Vで回転し始めました！
左下が周波数カウンタで15.62Hzの表示なので156.2rpmです。
右上は、モーター電流、クランプ型DC電流計なので精度は悪いです。

右下が、モーターのコレット部と回転数センサー基板。

48.1Vです！
0.55A･･･無負荷時は電流がこんなに小さいんですね～
回転数 10970rpm
定格の12000rpmには、ちと届かず(T_T)

無負荷時のグラフです。
12V 2650rpm、24V 5400rpm、36V 8200rpm、48V 11000rpm
電圧 vs 回転数の直線性はいいですね～
各3回測定してますが、電流は測定精度が悪いので数十mA程振らついてます。
負荷時のデータを捕りたいですが、負荷の掛け方が浮かびません(-_-;)

手に持って、いきなり48Vを印加してみると、かなり強い反動です。
CNC2418のフレーム強度は別として
これでは、フレームへの衝撃が心配ですね～

ということで、
SOFT START、SOFT STOPにしたくなり、本題に入るわけであります^^;
正攻法で行くには、GRBLのFirmwareをイジればいいのでしょうが
C++だし、マーティーには、敷居が高すぎます(-_-;)

実は、この前、PIC 16F1827で作成した
「FrequencyとDuty比の簡易計測器」は、
GRBLコントローラからのPWM駆動パルスを検出して、
この様にDUTY比の変化をSoft Start、Soft Stopさせるつもりだったのです。

所が、エッジをカウントする方式では、
DUTY比 0%はいいとして、DUTY比 100%の時に検出できないので
PICに回路を追加しようとも考えましたが
周波数とDUTY比の検出も、今一安定しないので、PICは諦めました(-_-;)
まあ、PICの使い方を少し思い出せたのでよしとして^^;

やっぱ、ATtiny85の出番のようです。
まずは、周波数固定で、VRでDUTY比を可変できるスケッチです。
DUTY比の分解能を8bit最大にしたいので、OCR1C=255で7.8KHzに固定です。
マーティーのCNC2418は、「小型工作機CNC2418 その３２」で
GRBL v1.1f デフォルトの0.98KHzでなく、v0.9jと同じ7.8KHzにしてます。

＊＊＊＊DUTYをVRで可変、7.8KHz固定＊＊＊＊＊
//**************************************
// ATtiny85
// Freq. 7.8KHz固定
// ADC3(PB3)(pin2)：VR2でDUTY比可変
// PB1(6pin)：PWM OUTPUT
// Timer1 Clock：CPU、Clock：8MHz(internal)
//**************************************

#define PWM_OUT 1 // PB1(pin6)
#define Duty_VR A3 // ADC ch3(pin2)(PB3)

short Duty_Level ;

void setup() {
// initialize
pinMode(PWM_OUT, OUTPUT); //PB1(pin6)
pinMode(Duty_VR, INPUT); // ADC ch3(PB3)(pin2)

// timer1 の設定 PWM出力for PB1
TCCR1 = (1 << CTC1) | (1 << PWM1A) | (1 << COM1A1);
//timer1 Prescaler 1/4
TCCR1 |= (1 << CS11) | (1 << CS10);
//周波数固定 CPU Clock 8000KHz / (255+1) / 4(Prescaler)= 7.8KHz
OCR1C = 255 ;
}

void loop() {
Duty_Level = analogRead(Duty_VR);
OCR1A = (float)Duty_Level / 1024.0 * OCR1C; // Duty比 OCR1A/OCR1C
}
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

Arduino IDE Ver.1.8.3の設定はこれです。
新品のATtiny85は、最初に［ブートローダを書き込む］を忘れないように^^;

さて、上のスケッチでは、VRで0～Vccで可変してDUTY比を変えますが
VRのDC電圧の代わりに、PWMを平滑してADCに入れたいのです。
ATtiny85に限らず、AVRマイコンのADC入力Impedanceは、
100KΩ程度と低いです。

PWMの後にCRフィルタで平滑してADCに入力してみます。

その辺のパーツを適当に見繕って～

カットオフ周波数：1255Hzとかなり低いですが、

まだ、こんなにリップルがあります。

黄色：ADC IN（CRフィルタ後）

水色：PWM（CRフィルタ前）

リップルが大きいので、10msec間隔でADC 10回やって平均化処理してみます。

＊＊＊＊入力PWMと同じDUTY比で出力、7.8KHz固定＊＊＊＊＊
//**************************************
// ATtiny85
// Freq. 7.8KHz固定
// ADC3(PB3)(pin2)：PWM入力をCRで平滑化してDUTY比計測
// PB1(6pin)：PWM OUTPUT
// Timer1 Clock：CPU、Clock：8MHz(internal)
// ADC入力に10回平均化を追加
//**************************************

#define PWM_OUT 1 // PB1(pin6)
#define Duty_VR A3 // ADC ch3(pin2)(PB3)

short Duty_Cont = 128;
int Duty_Stack = 0;

void setup() {
// initialize
pinMode(PWM_OUT, OUTPUT); //PB1(pin6)
pinMode(Duty_VR, INPUT); // ADC ch3(PB3)(pin2)

// timer1 の設定 PWM出力for PB1
TCCR1 = (1 << CTC1) | (1 << PWM1A) | (1 << COM1A1);
//timer1 Prescaler 1/4
TCCR1 |= (1 << CS11) | (1 << CS10);
// 周波数固定 CPU Clock 8000KHz / (255+1) / 4(Prescaler)= 7.8KHz
OCR1C = 255 ;
}

void loop() {
// 入力のリップルを平滑化するため10回の平均をとる
Duty_Stack = 0 ;
int i ;
for ( i = 1; i <= 10; i++ ) {
Duty_Cont = analogRead(Duty_VR);
Duty_Stack = Duty_Stack + Duty_Cont ;
delay(10) ; // 10msec delay x 10回で平均するため
}
Duty_Cont = Duty_Stack / 10 ;
OCR1A = (float)Duty_Cont / 1024.0 * OCR1C; // Duty比 OCR1A/OCR1C
}
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

回路図はこれです。

思ったより上手くいきました^^;
入力周波数が微妙に違って、7.5KHz程なので、出力とズレてます(-_-;)

黄色：ADC入力（pin2、ADC ch3）

水色：出力（pin6、PB1）

DUTY比 99%辺り

黄色：ADC入力（pin2、ADC ch3）

水色：出力（pin6、PB1）

Vcc：5.1V ADC入力の平滑電圧：5.07V なので
単純計算では、DUTY比 99.4% ですが、
周波数 7.8KHzで、パルスが間引かれた様になって
周波数が半分になった様な波形になってます。
まあ、モーター回す分には、ほぼ100%と変わりないでしょう。

黄色：ADC入力（pin2、ADC ch3）

水色：出力（pin6、PB1）

DUTY比 0%というか、ADC 入力：0V（GND）では、
出力もパルスが出なくなり、思惑通りの動作です^^;

黄色：ADC入力（pin2、ADC ch3）

水色：出力（pin6、PB1）

概ね、問題ない動作しているのですが、
今一つ入力のリップルが気に入りません^^;
ちょっと凝りたくなりました^^;
ADC前段を2次のバターワース・フィルタにしようかな～
もっと急峻にするなら、チェビシェフかな～
ん～ん、連立チェビシェフ（エリプティック）ってのもあったな～
凝りだしたらきりがりません(-_-;)

出所：エヌエフ回路設計ブロック

そうだ、逆転の発想で前段フィルタを取り去ってしまい
デジタルオシロのサンプリングの様にすればいいかも？
・等価時間サンプリング（Equivalent Time Sampling）
・シーケンシャル等価時間サンプリング（Sequential Equivalent Time Sampling）
というやつです。
Teltronixサイトのここの「ダウンロード・ファイル」のPDF
「オシロスコープのすべて」のP21の解説が判り易いです。
エイリアシングの発生を逆利用して入力と相似波形を再生する感じです。

マーティーも頭の整理でちょっと描いてみました^^;
連続波形ならば、INPUTに同期してない周期で長いCycleでADCすれば、
PWMとADCを直結して、INPUTと相似の波形を再構築できます。
そのADCの値を算術平均すれば、デジタルで平滑できるはずです。
まあ、先のリップルのADC 10回平均も同じことなんですが...^^;

ATtiny85 Datasheetによると、
ADCのNormal Conversions Time：13-cycle なので
ADC Clock 1MHzの時、Acquisition Time 13μsec となり、
50KHzの時、260μsecということになります。
また、
By default, the successive approximation circuitry requires an input clock frequency
between 50 kHz and 200 kHz to get maximum resolution.
とあるので、
最高解像度にするには、ADC Clock 50K～200KHzがいいということです。

System Clock 8MHzなので、ADC Clock Prescale 1/64にすれば
ADC Clock 125KHzで良さそうです。
ADC Normal Conversions Time 13-cycle･･･104μsec になります。

WoodpeckerのPWMの正確な値は、
8MHz ÷（255＋1）÷ 4 = 7.8125KHz：128μsec
のはずです。
入力PWMよりADC間隔が短くなるので、サンプリングの絵を描いてみます。
ぴったり128μsecと104μsecで同期してる場合は、16分割になってしまいますが、
実際には、ADCの前後に幾らかの処理が入るし、
ATtiny85のClockは、内部RC発振＋Calibrationで、水晶の精度はないので
細かい分解能で、ランダム等価時間サンプリングになるはずです。

仮に、104μsecが104.5μsecになると
上の図で8μsecの分解能だったのが、0.5μsecになり、
128 ÷ 0.5 = 256の分解能になります。

ADC 13-cycle、Prescale 1/64で、104.5μsecになるSystem Clockを逆算すると、

7.961722MHz･･･8MHzの－0.48%

これは、ATtiny85の内部Clockのバラツキでズレる範囲と考えていいでしょう。

また、Datasheetによると、内部Clockの温度変動は、
［Figure 22-41. Calibrated 8 MHz RC Oscillator Frequency vs. Temperature］
で、5V駆動時、20℃ UPで＋0.05MHz程度になってるので

8MHz＋0.05MHz･･･＋0.625%

ということになるので、いい感じに104μsecからズレてくれそうです。

奥の手は、Datasheet［6.5.1 OSCCAL – Oscillator Calibration Register］

にあるレジスタを使えば、Runtimeで微調できますね～

工場出荷値はFuse bitにあるので消えません。

波形を観てズラせば、いいでしょう！

では、スケッチです。

PINB |= 0b1;

は、ADC完了毎にPB0をトグルしてます。
つまり、ADCの周期の１／２でPB0からパルスを出したいのです。
この前、ここ「AVRWiki」の「I/O入出力ポート」で見つけた技です^^;

＊＊＊PWM直接入力、同一DUTY比でPWM出力、7.8KHz固定＊＊＊＊＊＊
//**************************************
// ATtiny85
// Freq. 7.8KHz固定
// ADC3(PB3)(pin2)：PWMを直接入力
// PB1(6pin)：PWM OUTPUT
// PB0(5pin)：1回のADC終了毎に反転（ADC変換時間の確認用）
// Timer1 Clock：CPU、Clock：8MHz(internal)
// ADCは512回のランダム等価時間サンプリング
//**************************************

#define PWM_OUT 1 // PB1(pin6)
#define PWM_IN A3 // ADC ch3(pin2)(PB3)

short PWM_ADC = 128; // INPUT PWMのランダムサンプリングADC
short DUTY_Avr = 0; // ADC_Stackの平均
long ADC_Stack ; // INPUT PWMのランダムサンプリングADC値の蓄積用

void setup() {
// initialize
pinMode(0, OUTPUT); // PB0(pin5) for ADC時間確認用
pinMode(PWM_OUT, OUTPUT); //PB1(pin6) for PWM OUTPUT
pinMode(PWM_IN, INPUT); // ADC ch3(PB3)(pin2)

// timer1 の設定 PWM出力for PB1(Digital 1 Pin)
TCCR1 = (1 << CTC1) | (1 << PWM1A) | (1 << COM1A1);
//timer1 Prescale 1/4
TCCR1 |= (1 << CS11) | (1 << CS10);
OCR1C = 255 ;
//周波数固定 CPU Clock 8000KHz / (255+1) / 4(Prescaler)= 7.8KHz

// ADC Clock Prescale 1/64･･･ADC Clock 125KHz @System Clock 8MHz
ADCSRA |= ( 1 << ADPS2 ) | ( 1 << ADPS1 ) ; // ADC Clock Prescale 1/64

// System Clock Fine Tuning（8MHzを微調する必要がある時のみ）
// OSCCAL = OSCCAL + 0 ;
}

void loop() {
// ランダム等価時間サンプリング（Random Equivalent Time Sampling）して平均する
ADC_Stack = 0 ;
int i ;
for ( i = 1; i <= 512; i++ ) { //
PWM_ADC = analogRead(PWM_IN); // 125KHz 13cycle＝104μsec
ADC_Stack = ADC_Stack + PWM_ADC ; //
PINB |= 0b1; // PB0をトグル、ADC周期の時間確認用
}
DUTY_Avr = ADC_Stack / 512 ; // PWMの平滑化してDUTY比を算出
OCR1A = (float)DUTY_Avr / 1023.0 * OCR1C; // Duty比 OCR1A/OCR1C
}
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

回路は、CRフィルタなしで、PWM波をADCに直結です。
シンプルでいいですね～^^;

オシロは［ch A&B］でトリガしてます。
PB0の1周期は、11.1DIV なので、222μsec
PB0はトグル動作なので、ADCルーチンの時間は１／２して１１１μsec
ADC 125KHz Sampling x 13cycle = 104μsec
実測：111μsecということは、
111－104=7μsec･･･8MHz Clockの56cycle
これが、ADC以外の処理のClock Cycleということになります。
±0.1DIVほどチラチラ変動してるので、±16 cycleの誤差かな？
ATtiny85の上を指でしばらく温めましたが、目でわかる変化はないです。

黄色：ADCサイクル、1回のADC終了毎にトグル動作（PB0）

水色：出力PWM（PB1）

これは、
シャッター速度：1/5sec
トリガは、水色のchA（入力PWM）で、
黄色のADCサイクルの両エッジでADCサンプリングしてますが、
非同期で写っています。
上手いことランダム等価時間サンプリングできてるということです。

黄色：ADCサイクル、1回のADC終了毎にトグル動作（PB0）

水色：ADC ch3：入力PWM（PWMを直接入力）

残念ながら、マーティーのオシロ DS203には、積み重ねモードがないので
シャッター速度：1/2secで！
ADCのサンプリング・ポイントのエッジが薄く沢山散らばってて
水色の入力PWMを細かくサンプリングできてそうです＼(^o^)／

黄色：ADCサイクル、1回のADC終了毎にトグル動作（PB0）

水色：ADC ch3：入力PWM（PWMを直接入力）

入力のDUTY比を可変すると、よく追従してくれます。
111μsec間隔で512回のADCを平均してDUTY比を反映させるので
追従は、57msec！
ADC 512回の期間に、入力PWM（128μsec）が
111 x 512 ÷ 128 = 444 波形入ることになります。
考えるのが面倒になってきましたが(-_-;)
DUTY比の平均化の計算は、最大で1波形の誤差と考えていいかな？

とすると、1/444=0.2%！

ん～ん、間違ってそうだけど、波形は期待通りだからいいか(-_-;)