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自作サーボの作り方1FETの選定方法?

今回はとある関西の学生さんからの質問でFETの選定が分からないから、教えて下さいとのことで。
説明か~難しいな~と思い例で説明しますと説明した物です。

間違ってると悲しいので(勉強ですよ聞かぬは一生の恥ですから;)
(またザピーさんから突っ込みが来ると嬉しいな~)

前のモータの件書き直せよと思いますが(めんどいな~へへ)

かなりの長文ですごく分かりにくいですがすいません。
書いてる途中に物事、考えが変わるのが自分の良いところ「っあ」とかそうです

サーボ製作工程
例 540を使用し100kg.cmのサーボが欲しいとした時

RS-540SH 7520
定格電圧 7.2V
起動電流 70A
起動トルク 196mNm
無負荷回転数 23400rpm

起動トルク196mNmだと1:52のギア比で約102kg,cmになります。
スピードは0.02sec/60°
理論値ですがこのぐらいになります。(少し重量が気になりますが。)
(なかなかよさそうなスペックのサーボになりそうですが、後で少し変わってきますので。)


まあサーボのメカ的使用が決まったとして次はFETです。

モータがストール時に理論値通り70A流れるとします。
(FETの定格が70A要る訳では無いです、この時FETに流れる電流はFETによりますが)

今回は比較的入手しやすい秋月で入手可能な物にしました。

(佐々木さんもめんどくさいだろうと思ってこれをお勧めしました。デジキーやRSで調べてもっと良いものを探しても良いですよ。パーツ選びの時が楽しい時間です。:)
Nch 2SK3163 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00222/
定格電圧 60V
定格電流 75A
オン抵抗 6mΩ
チャンネル損失 110W

Pch 2SJ554  http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00221/
定格電圧 -60V
定格電流 -45A
オン抵抗 28mΩ
チャンネル損失 100W

(チャンネル損失の値が大きいほど熱容量が大きいのでなるべく大きい方が焼けにくいと思います。)

FETの詳細はこれぐらいで、話し戻します。
モータだけバッテリーに繋いだ場合は70A流れますが、回路全体のでみると少し変わってきます。
合成抵抗で変わるためです。

FETの抵抗値はデータシートに載っていますが、マブチのスペックには端子間抵抗が書いてないので計算値でやります(実測値が良いです。)
7.2V/70A=0.10285Ω

モータの抵抗値が分かったら後は計算します。
0.006Ω(Nch)+0.028Ω(Pch)+0.10285Ω(モータ)
=0.13685Ω

ホントは配線等も抵抗値がありますがそこは省略します。
回路全体の電流値は
7.2V/0.1385Ω=51.985A

っあPchの容量が足りなくなってしまいました(やりながら書いてるのでこう結うことも有りますw)
なのでここでPchのFET容量を上げるために、FET自体を交換しても良いのですが。
っあ秋月に2SJ555が出てますね(○○木さんに教えたときには無かったですww)

良い例ですねでは、解決策を二つ。

1:FETを並列にする方法です。
良くラジコンアンプの前進側のFETが良くそうしてありますよね。
サーボの場合は両サイドデュアルにします。
今回はPchをデュアルにします、(最初気になってたんですよね抵抗値がNchとPchでかなり違うので個人的に少し気持ち悪いなとw)

まあ単純に2倍と考えて良いと思います、そんな難しいことはしないのでw
並列に並べるので二つのFETに流れる半分になります(固有の抵抗値で少し変わるけど気にしないです。)

Pchひとつの抵抗値は0.028Ω
Pch並列時の合成抵抗は1/(1/0.028+1Ω/0.028Ω)=0.014Ω

この場合全体の合成抵抗は
0.014Ω+0.006Ω(Nch)+0.10285Ω(モータ)=0.12285Ω
7.2A/0.12285Ω=58.6081A

並列にするメリットは単に電流の容量アップだけではなくひとつのFETに流れる電流量が減るので発熱が下がるとこです。
デメリットはどこかの大学の先生?だったかに言われたのですが効率が悪いのかな...(製品で並列にしてるの有るから良いと思うのですが...)
後今回のように、左右のFETの差があるとき並列にして類似したFETに出来ることが良いです。

2:FETを変える。
今回は秋月偶然見つけたので2SJ555を想定します。http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-09042/
定格電圧 -60V
定格電流 -60A
オン抵抗 17mΩ
チャンネル損失 125W

単純に交換するだけです。
0.017Ω+0.006Ω(Nch)+0.10285Ω(モータ)=0.12585Ω
7.2A/0.12585Ω=57.211A

どちらの方法を取るかは好みですがパーツの点数が減るので今回は2の方ですかね。
足りなければ両方並列にすれば良いので。


でFETの選定が一応終わったので、次です。
モータ70A消費したときに102kg.cmとなるギアボックスでしたが。

2SK3163と2Sj555の場合
57.211Ax0.10285Ω=5.884V約2割程下がっていますので約20kg.cmダウンなります、スピードも同様に...。

せっかく減速機設計したのに>_<みたいになります。
そこでどう選択するかですが。

あきらめて減速機を変えるか(まあギア比を調整できるようにしておけば良いのですが。)
FETを並列にしていき抵抗値を下げ、モータに一杯食わせるかです。

まあ
定格電圧 7.2V→5.884V
起動トルク 196mNm→160mNm
無負荷回転数 23400rpm→19122.48rpm
となり1:63で約100kg.cmです
スピードは0.0329sec/60°と十分な性能ですけど。

ハイパワーサーボを求める我々としては少し頂けないですねww

こんな感じで少しの妥協と努力でサーボになります。
まあこのサーボでロボットを作ると、1サーボで60A近く消費するので24軸で1440A現実的ではないですねww。

パーツ選びの段階も楽しい時間なので良かったら自分だけのFETを探してみてください、まあ○○○○さんとか松野くんそれ試したこと有るよとか良いそうですがww

かなり脱線したりもしましたが誤字等計算ミス等有るかもしれませんのでよろしくお願いします。(シロートですからねhaha)
後今回の数値はどれも計算値です実際にモータがそんだけ食ってくれるかは実測してみないとです。(モータがカタログスペック通り電流食ってくれなくて困ったこと結構有るので)

これブログに書いてザくさんとかに突っ込みをまた貰おうと思うので、もし間違っていたら連絡しますね、ブログのコメントに書いて有るかもですけどw
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プロフィール

matsuno hiroyuki 

Author:matsuno hiroyuki 
PROTO-TYPE

中部でものづくりをしている者です。
かわロボ、ROBO-ONE、BRAVEなど出場しています。
サイクロ減速機、自作サーボなども作っています。

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