[tech] モバイルバッテリーのロードバランサ | Thu, Jul 16. 2015 - 氾濫原 の続き。5V 2A (10W) 出力のモバイルバッテリー複数使って、30W ぐらいの電力を得ようというやつ。

その後、2個ぐらい専用のロードバランサICを使ったりしてみたが、高負荷時にスイッチングノイズで入力電圧が大きく変動するのをカバーできず挙動が不安定だった。

ということで、改めて基本的な回路で実装したら結構うまくいった。

回路図

前回は 5V バッテリーの出力を直接合成しようとしていたが、それだとバッテリーの個体差によって電圧の差が大きく、うまくバランスできないうえに、損失が大きくなるという問題があった。

今回はバッテリー出力それぞれを欲しい出力電圧付近まで DC/DC で昇圧してから合成することにした。これにより、DC/DC で電圧で調整が効き、かなり近くに電圧をあわせられる。昇圧後に電流制限回路とダイオードを入れ、ロードシェアさせている。

FET は、最大で、許容する電位差×最大電流値だけの損失を発生させる。±0.5V 700mA だと 700mW。空冷でもよさそう。ただ、全体の許容電流を超えた電流を流そうとすると損失が激しく増えて熱くなるので危険。

結果

電圧を高めにして、ゆっくり電流を増やしていくと最大28Wぐらいとれた。

問題点

入力側過電流

不定期に電流をとろうとすると、DC/DC 基板についているコンデンサを放電しきってしまうようで、昇圧の入力側すなわちバッテリー出力側に過電流が流れ、バッテリー側の過電流検知にひっかかることがあった。

これは電流制限を昇圧後に入れているせいなので、昇圧前にも入れれば解決するが、それはそれで面倒くさい。

ESR が大きめのコンデンサを出力につけておけばだいたいいい感じになりそうだったがちゃんと試してない。

実装面積

DC/DC をそれぞれにつけるせいで実装面積が大きい。 DC/DC は小さくしようがないので、ロードシェアの基板を小さくするしかないが、それほど小さくはならなそう。

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http://cho45.stfuawsc.com/GrblServer/browser/gcode-viewer.html



GrblServer で使うために実装を書いた。もともとプログレスバーを時間ベース(パスの長さとフィードレートから求めた値)にしたくてG-codeパーサを書いてたけど、結局ビューワー作るのと同じコストがかかることがわかったので、デバッグがてらビューワーも書いた、という感じ……

three.js を初めて使ってみたけど、かなりお手軽の WebGL 使えて良かった。WebGL の API はかなりローレベルなので 3D 初心者には使えない感じだけど、three.js なら誰でも使えるレベルになっている。

ただ、ちょっと凝ったことをしようとすると自力でシェーダープログラムを書く必要はある。今回 Z 軸が 0 以上ならパスを半透明にしたくてシェーダープログラムを書いた。

そして最近のスマートフォンだと three.js で書いたコードがものすごくヌルヌル動くのですごい。ブラウザゲームとかマジでネイティブ疎遠ないレベルで作れるのでは!!??? と思ったけど、別に作りたくはない。

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Grbl の現在のバージョン(v0.9)にはジョギング(手動で軸を送れる機能)がない。GUI にあったりするが、基本的には偽物である。

理想的な(というか普通の)ジョギングは、スイッチを押している間だけ設定したフィードレートで動くという機能なのだが、Grbl はGコード単位でしか駆動信号が出せないため、このような挙動ができない。

オフィシャルな解決方法

https://github.com/grbl/grbl/wiki/Interfacing-with-Grbl にもFAQ的に書かれている。ここで書かれているのは、planner buffer queue size (設定すると status として出力できる) を見ながら、一定のキューサイズを保つ、という方法である。

しかしこの方法には以下のような問題がある

  • planner buffer queue size を status に表示させるのが面倒
    • 毎回 $コマンド送るの?みたいな
  • キューサイズを決めるのが難しい
    • 少なすぎるとスムーズに送れず、多すぎると止まるまで時間がかかる
  • どっちにしろ入れたキューは消せないため、うまくやらないと止まるまで時間がかかる

Hold & Reset

次に思いつくのは Hold してから Reset するという方法である。Grbl は Hold など一部のコマンドはリアルタイムで処理されるため、キューサイズに影響されない。

つまり、動いているときに Hold させて即時停止させるということは可能。そしてその状態から Reset を行えばキューをクリアできるため、実質的にジョギング相当になる。

しかしこの方法には以下のような問題がある

  • Hold -> Reset の遷移が安定しない
    • Reset during cycle エラーがでたりする (位置がずれてる可能性がありますよということ)
  • Hold → 実際の Hold までディレイがある場合 (ネットワーク経由でHoldするとか) 停止までの時間が安定しない

ということで使えない。

インターバル方式

ということで別の方法を考えた。これは1つのGcodeあたりの実行時間を一定とし、一定時間ごとにキューイングする方式。

理想ジョギングはステップ単位で進むわけではなく、フィードレートのみに依存しているわけで、それに近い挙動をすることができる。

インターバルは Grbl へ送信してキューに入るまでの時間よりも長い時間をとる必要がある。ネットワーク経由だと少し大きめに設定する。

例えば 0.3sec インターバルでフィードレート800mm/minで送る場合、4mm ずつ送ることになる。

この方法のメリットは

  • 一定時間(インターバル)以内に必ず動作が止まる
  • 追加の設定が必要ない
  • 実装が簡単

デメリットは

  • インターバルよりもキューイングに時間がかかった場合スムーズに送れない

ぐらい。

実際のインターフェイス

実際はステップジョギングと可変フィードレートを併用できるのほうが嬉しいため、以下のような挙動にした。

  • マウスダウン直後は1ステップ送る
  • 終了後1秒間そのままでいるとステップから計算した可変フィードレートで上記インターバル方式のジョギングを行なう

かなり自然なジョギングができるようになって満足

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  3. Grbl でのジョギング

シェーダープログラムはGPU内で動く。性質上並列(parallel)に実行される。

vertex shader

頂点ごとの処理内容。線分だったら始点と終点。頂点の最終的な位置を決定する。ついでに頂点ごとの属性 (attribute) から fragment shader に渡すものをどうするか決めたりする。

最終的に gl_Position にスクリーン座標を代入する。

fragment shader

ある断片ごとの処理内容。線分だったら始点から終点までの各要素を分割した1要素 (線分をレンダリングしてピクセル単位にしたときのピクセル単位)

最終的に gl_FragColor に vec4 型で色情報を代入する。

varying として vertex shader から渡された値は、各断片ごとに値が変更されて渡ってくる。

gl_FragCoord という変数があり、これには実際に処理しようとしているピクセル座標が入ってくる (スクリーン座標系)

gl_FragCoord から元の世界座標系を計算するのは面倒なので、fragment shader で世界座標系が欲しい場合 varying で座標を渡すのがてっとりばやい。


varying variables

varying は vertex shader と fragment shader とを繋ぐものだが、vertex shader でセットした値がそのまま fragment shader に渡るわけではない。fragment shader に渡るときに該当する fragment について計算された値が渡ってくる。

https://www.opengl.org/sdk/docs/tutorials/ClockworkCoders/varying.php

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ちょっと前に掘った

SketchUp と、歯車描画プラグインで書いて SkechUCam で gcode にしたけど、ぴったりサイズにしたらハメるのが硬すぎて厳しかった。細かい凹部はエンドミルでは削れないというのもありそう。

歯車描画プラグインは、ものによって SketchUCam と相性が悪くて使えなかったりする…… 機能がすくなそうなやつのほうがうまくいくっぽい。

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複数シャンク径を使いわけたい場合、都度コレットを交換する必要がある。ググってみてもいまいち正しいやりかたが出てこなくて歯痒いが、以下のようにすると交換できる。

コレットナットを軸からはずす

普通に緩めて外すだけ

ナットからコレットを外す

コレットをちょっと押してみると、ナットの位置によって傾むくほうと傾かないがあることがわかる。

傾むくほうを下にして、そのまま下に少し強めに押すと外れる

傾かない状態

傾いた状態

ナットにコレットをつける

ナットの内側をよくみると、コレットの溝にはまるようにリングがついていることがわかる。そしてそのリングが一方が深く、一方が浅いようになっている (偏心している)

なので、深いほうを先に入れ、浅いほうに向けてコレットを押しこむとつけられる。

ナットを軸につける

普通に締めるだけ

いちいちナットにコレット脱着するのが面倒だ!!

ナットだけ追加で買って、1コレット1ナットをセットにしてしまうのが早い。これなら、緩めて別のナットをつけるだけですむ。

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