PSPを使って鉄道模型を動かしてみる

表題は見栄をきったが、実際はものすごく単純、PSPのブラウザを使って、操作するだけなので、別にPSPで無くても、DSiでもiPod touchでもWWWブラウザが使えるものなら何だっていい（笑）。とりあえず、動かすだけ動かしてみる。尚、PSPはソニー、DSはニンテンドー、iPod touchはアップルの商標です。

仕組みは、CGIを使ってマイコンに指令を出し、それを実行しているだけなので、非常に簡単です。とりあえず、ラジオボタンで「正転」、「停止」、「逆転」を選んで、送信ボタンを押す。タイムラグや送信ボタンを押さなければならないので、操作性は悪いが、半自動運転では実用に耐えうると思う。

入力装置 ：ソニー社製「PSP(プレイステーション・ポータブル)」
制御方法 ：PWM信号によるデューディー制御
出力方法 ：フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 ：正転（ディーティ比10％）、停止、逆転（ディーティ比10％）
CPU ：ルネサステクノロジ社製H8 3069

開発方法：TCP/IPネットワーク環境を利用した開発

実験車両：グリーンマックス（GREENMAX）動力ユニット（Nゲージ）

実験線路：カトー（KATO）社製直線線路（Nゲージ）

量産型コントローラver0.5（試作実験用バージョン）

とりあえず、量産型のコントローラとして、製作及び検証を行う。製作するのは２ハンドルタイプのコントローラで、超低速走行及び実車の動作に合った制御を行う。

まず、外枠はプラスチックケースで作成し、表示部にはLCD及びLEDを使用し、操作はロータリースイッチ、トグルスイッチ及びプッシュスイッチを用い。また可変抵抗を使用したつまみによって調整及び制御を行う。

・主要機能

PWM信号による出力制御を用いた鉄道模型用モータ制御

アナログダイヤル及び加速、減速ハンドルによる惰行運転制御

発電ブレーキ、回生ブレーキ、空制ブレーキによる制動を再現

各加速率、減速率の調整及び記憶

デューティ出力、速度、電流の表示

過電流保護回路（ポリスイッチ）搭載

・主要緒言

電源：スイッチングACアダプタによる直流12V

出力：モータドライバによる出力0〜12V、最大1.0A

操作：２ハンドル（加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ⑦ステップ、非常制動）及びアナログダイヤルによる

表示：2×20文字表示のLCD及びLED

ユニバーサルコントローラver0.4（高機能マイコン使用）

ルネサステクノロジ社製のSH7144Fを使用した、高機能版の制御装置の試作です。今までの走行アルゴリズムに加え、様々な列車の加速に適応させる為に伝達関数を加え、実車に即した動きを再現させる。

調整用のつまみと、外部入力用のコネクタ（RS232C）、フィーダ出力コネクタ、情報表示用のLCDが上面と側面、背面にある。

制御用のアルゴリズムを改良し、より実車に近づける。特に「出力＝速度」とならないので、それらを変換する関数が必要となる。これはモータの種類に応じて設定を変更するしかない。今回はグリーンマックスの動力ユニットで実験している。

入力装置 ：ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 ：PWM信号によるデューディー制御
出力方法 ：フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 ：加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑧ノッチ、非常制動
主装置 ：マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU ：ルネサステクノロジ社製SH7144F

圧力計表示へのこだわり

実車のブレーキは空気圧力により制動をかけているが、その圧力が上昇するまで時間がかかる。つまり、ブレーキレバーでブレーキをかけても、圧力が上昇するまでのタイムラグと滑らかな圧力の上昇がある。とりあえず、圧力計だけを動かしてみると

このように、反応がすぐに現れるため、滑らかな変化とは言えない。そこで、P制御を用いて、圧力計の動きを滑らかにしてみる。

これで、より圧力計に近づいた。すこし、針の動きがぎこちないが、、、、（汗）。

表示部：KATO製ECS-1　パネルメータの速度計のみ駆動

表示駆動回路：PWM信号とオペアンプによるローパスフィルタ経由のD/A変換回路

入力装置 ：ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 ：PWM信号によるデューディー制御
出力方法 ：フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 ：加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 ：マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU ：ルネサステクノロジ社製SH7144F

開発方法：モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

ブレーキ圧力計の調整

速度計の調整は後回しして、今度はブレーキの圧力計を駆動してみる。使用するのはKATO社製ECS-1を改造して、パネルメータのみを取り外し、駆動させる。各ブレーキのノッチ毎に圧力が変化するようにする。

表示部：KATO製ECS-1　パネルメータのみ使用

入力装置 ：ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 ：PWM信号によるデューディー制御
出力方法 ：フルブリッジモータドライバにより
出力制御域 ：加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 ：マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU ：SH7144F モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

速度計の調整

液晶を使用したディジタルでの表示も良いけど、やはりアナログメータの表示は不可欠だろう（笑）。とりあえず、KATO社製ECS-1のパネルメータを使用して、速度を表示させてみる。

インジケータの駆動は出来るが、デューティ出力と実際の速度、パネルへの駆動出力の関係が複雑なので、微調整が必要となる。

表示部：KATO製ECS-1　パネルメータの速度計のみ駆動

入力装置 ：ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 ：PWM信号によるデューディー制御
出力方法 ：フルブリッジモータドライバにより
出力制御域 ：加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 ：マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU ：SH7144F モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

量産型コントローラ（コンパクト仕様）

２ハンドルタイプのコントローラ（パワーパック）を自作してみた。コンパクトだが機能は充実している。製作過程は以下の通り。

ケースはアルミを使って、重厚感を出す。

スイッチや液晶部分の穴あけ、加工を行なう。

基板の設計、ハンダ付け。

内部の配線は凄い事になる（笑）。でもコンパクト設計では避けて通れない。

完成した外観、左端のつまみがノッチダイヤル、右端のつまみがブレーキダイヤル、赤ボタンが緊急停止、トグルスイッチは逆転スイッチとなっている。ちなみに、手前のスイッチやダイヤル類は調整用。

背面には電源端子とスイッチ、出力用のコネクタがある。コネクタはKATOのフィーダ用でTOMIX用にするには配線のハンダ加工が必要となる。

・仕様

操作系統：加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ７段階、非常制動。緊急停止ボタン。逆転スイッチ（進行方向切替用）。アナログダイヤル（直接制御用）。

表示系統：LCD（2行20列表示）、LED2個。

調整機能：加速率、減速率、発電ブレーキの有無、直通ブレーキ遅延、速度換算、発進出力調整。

出力機能：PWM信号による最高12V出力、最大1.0A。

保護機能：リセット用ヒューズによる電流遮断（1.3Aにて遮断）。過電流検出機能。

モータ特性の違い（周波数制御）

PWM信号を用いてディジタルでモータを制御する場合、モータの特性によって周波数やデューティー比、出力の関係が変化する。実験で使用しているKATOの車両（阪急6300系）のモータは特に優秀で、超低速走行が可能で安定している。しかし、他のモータも制御できなければ汎用性のあるコントローラを作る事ができないので、今回は周波数によってモータを制御してみる。

ディーティ比は12.5%で固定し、周波数のみを変更して発進から停車までをコントロールする。出力が出ているにも関わらず、動かないのはモータで無駄な電力が消費されている証拠である。これらを上手く調整することで、最高速度や加速を改善できる。

自作パワーパック「ユニバーサルコントローラ（ver0.2）」
・仕様
マイコン ：SH7144F
モータドライバ ：TA8428K

入力装置 ：可変抵抗、ロータリエンコーダ、スイッチ

表示装置 ：LED、LCD

電源 ：スイッチングACアダプタによる12V

・機能

2ch制御（独立した架線（線路）で同時運転が可能）

PWM信号を用いた可変電圧、可変周波数制御（疑似VVVFインバータ制御）

使用車両：エンドウ製　電動車ユニット
使用線路：KATO製　ユニトラック線路（Nゲージ）