測定項目の追加　走行中のモータ回転数と端子電圧を測ろう

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鉄道模型工学　測定項目の追加　走行中のモータ回転数と端子電圧を測ろう.

　Nゲージ鉄道模型の動力車について、測定装置の開発によってその動力特性の一端を測定出来るようになった。　しかし、その動力特性の要素については測定項目が不足しているため把握できない項目がまだまだ多数存在している。　先回提示した特性ブロック図の内容は、ブラックボック状態なのである。

　そのブロック図を下に再提示する。　ここで、赤丸で示した変数は現在測定可能な変数である。　もし、青丸で示した二つの変数が測定出来れば、他の変数も計算等によって算出出来るようになり、各特性ブロックの入出力変数を全て求める事が出来るため、システムを構成する要素の定数が算出可能となるのである。

　例えば、動輪回転数はモータ回転数からギヤ比を使って計算出来るし、モータ電流は個別に求めた照明回路の定数を用いてモータ端子電圧から算出可能である。　そして動輪トルクは牽引力から動輪径を使って計算できるが、問題はモータトルクなのである。　しかし、モータ単品状態での電圧と電流、および回転数とトルクを測定して、モータを構成する定数をあらかじめ求めておけば、動力車に組み込まれた状態でも、モータ端子電圧と電流、およびモータ回転数よりモータトルクを算出可能とである。

　即ち、走行中の動力車のモータ端子電圧とモータ回転数の二つの変数が測定出来れば、各ブロックの変数が算出可能となり、それによって各要素の定数が推定できるようになるのである。　このことに注目して新たな測定装置を開発する。

　モータの端子電圧と回転数の計測は容易であるものの、測定対象が移動中であり、さらに外部から力の影響を排除した状態で測定出来る事が条件となるのである。　そして、走行条件の変化の影響を少しでも回避するため、移動サイドでの測定と固定サイドの測定項目とはほぼ同時に測定する必要もある。　このような場合には、無線通信を使う方法が一般的である。

　　　　　　そうだ！　無線を使って走行中の車両からデータを飛ばそう！

　この様にして始めた新しい測定方法の開発ではあったが、およそ1年もかけて改善を進めたものの、未熟な技術力が故に最終的には 60 点の完成度であったと評価している。　その後、有線方式の測定方法に変更して 80 点レベルまで完成度を上げたものの、まだ未完の状態である。　今回の再編集にあたっては、成功した内容や失敗した内容など、その工作の要点をまとめることにして開発の足跡を整理することにした。

　しかし、この開発した測定装置でも、動輪のスリップ率や、集電回路の電圧降下の実態など、多くの知見を得る事が出来ことので、有意義であった自己評価している。

■　無線を使った測定装置のアイディア

　測定方法について、頭に描いたイメージを右に示す。　無線装置としては、Nゲージサイズの鉄道模型にも応用できる大きさであったXBeeの通信モジュールを使うことにしたが、注目したのがその大きさとアナログ値が通信出来る事である。　モジュールは、その幅が25ｍｍ程度であり、やや大きいもののNゲージに搭載可能である。

　測定対象の動力車と重り車両の間に、計測機器を搭載した測定車両を連結し、そこにXBeeモジュールを取り付けてデータを送信する。　動力車のモータ端子間の電圧は、端子部に差し込んだ電極をウレタン線で引っ張って処理回路に導き、その電圧（アナログ量）をXBeeモジュールのA/D変換を介してデータを送信すれば良さそうである。　モータ回転数は、反射式センサーでも可能であるがサイズが大きいので、モータの鉄心に反応する磁気センサー、即ちホールICを使用するとコンパクトになりそうである。

　XBeeの無線モジュールを下に示す。　送信側（下左の写真）は測定車に取り付け、受信側の親機（下右に写真）はArduino

■　測定装置の概要

　なにしろ初めての事ばかりであったので、何度も壁にぶつかりながらもどうにか目的とするデータを測定することが出来た。　新しく追加したのは測定データを処理して信号を無線と赤外線を発信する測定車と、その無線を受取る無線通信用シールドと、赤外線の受光部となるサテライトユニットである。　この装置全体を下に示す。

　開発の中心は、測定車の構成であるが、無線通信のXBeeモジュールやデータ処理を実施するArduino の制約により、

XBeeモジュールの通信は、35msec 以上の間隔が必要なためモータパルスの信号は送信出来なかった。　このため赤外線通信を使用し、赤外線受光部に設けたパルスカウンタで所定パルスの経過時間を測定したのち、その情報をArduinoに伝達させた。
モータ端子電圧はXBeeモジュールのA/D変換機能を介してArduinoにデータを送信するが、XBeeはシリアル通信でデータをやり取りしているため、Arduinoとパソコン間のシリアル通信との同時通信が出来なかった。　固定側の電圧や電流測定の機能と精度を確保するためである。
このため、測定のタイムスケジュールも要素毎にずらしすなどの工夫を実施した。

　測定車の構成は、幾度も改良を重ねてきた。　センサの小型化や回路の変更など、初期の状態からその改善の様子を下の写真にて紹介しよう。

　そして、多くの改善を実施してきた後の全体の回路構成を下に示す。

　また、測定時の様子を動画で紹介します。

■　測定データについて

　新しく測定可能となった変数を使って、集電回路の電圧降下量、動輪のスリップ率、および摩擦係数をグラフ化した。　綺麗に測定出来た場合もあれば、？と思われるクシャクシャノの場合も多々遭遇した。　これは車両自信が不安定なのか、測定方法が悪いのか区別がつかなったが、比較的綺麗に取れた幾つかの例を下に紹介する。