弧理論(Ark Theory) 解説ブログ

先日作りました自作CNC＋１０００ｍｗ青色ＬＤ用の

TTL定電流ドライバをテストしました。　原点の設定はやりやすかった。

このようなモノクロのデータからG-Codeを用意してやってみました。

材料は段ボールです。左下から右上にかけてスキャンするようになっています。　走査の速度を若干速く設定しています（F300：㎜/min）　　結果、レーザー光出力の変動が大きすぎて使い物になりませんでした。不定電流ドライバです。　初めはうまく焼けているのに段々弱くなっています。

参考にした回路から省略したのが悪いのか、ドライバのトランジスタの温度変化のせいか、それ以外なのか？　何が原因か分かりません。安定しなければ前のドライバにもどすしかありません。今回用意したデータは二値です。二値のデータなら前のドライバモジュールでもできるでしょう。

使用したソフト　Inkscape + Raster 2 Laser GCode generator extension

ＰＷＭ出力できるレーザーダイオード・ドライバがなんとかできました。

これで原点の設定がやりやすくなります。　グレースケールの焼き付けはまだやっていません。

製作した回路は、以前の回路図から少し変更しています。ＶＲ１は多回転半固定抵抗です。Ｒ８とＣ７は適当です。ＬＤ保護用ですから、なくてよいかも知れません。　前回の記事の

テスト後、回路を上図に決定した上でPCBEにて

作図。　ＣＮＣにて

切削、穴開け、切り出し、ハンダ付け・テスト後ケースに入れて

ＣＮＣの左脇に取り付けました。

ステッピングモータの電源にＤＣ２４Ｖ出力のＡＣアダプターを用いていますので、２４Ｖ→５Ｖの作成に

降圧型ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールを使っています。それ以外にクーリングファン用に１２ＶをＬＭ３１７にて作成しています。　ダミー負荷にセメント抵抗を用いて１．５Ａ程度まで流せることを確認しました。現状、ＬＤ両端で４．１５Ｖ約４５０ｍＡを流していますのでＱ１にヒートシンクは不要です。

４．１５×０．４５＝１．８６　変換効率がわかりませんので０．６を採用すると１．８６×０．６＝１．１２Ｗ　なのですが、カタログ値では１Ａ流せるそう？ほんとに１Ａ流してよいのだろうか？いまだに意味が分かりません。　あと、電流値が少し不安定で、原因はよくわかりません。クレースケールの焼き付けはムリかも知れません。少し様子見です。

端材ＭＤＦ板で作ったCNCには１０００ｍｗ青色ＬＤを取り付けることができます。

木や皮革に絵や文字を焼き付けられますが、ＬＤドライブ用の定電流電源にはこちらのＬＥＤ用定電流モジュールを使っていますので、ＰＷＭ制御ができません。一応説明書には５００ｈｚ以下ならＰＷＭ駆動できる旨が書かれています。しかし、Arduino によるＰＷＭ出力の周波数は７．８ｋｈｚですからこの電源モジュールは応答しません。　Arduino uno のインタプリタのＰＷＭはＳコマンドにより０～１０００で出力０％～１００％までを制御するようになっています。　確かめたところ、Ｓ６００位までは、ＬＤは発光せず、そこから急に強く発光するようになりました。

インタプリタのＰＷＭ周波数をソースから変更することも考えたのですが、ソフトが苦手というよりできませんので、ＬＤドライブ用の電源作ることにしました。　何よりインタプリタのバージョンが変わるたびに修正が必要になります。

ネットでＬＤドライバ回路を探したところ

というのがありました。　図はちょっと見にくいです。　説明にhighpower laserdiode analog blinking とあります。左上のIC2 LM317にて定電流駆動用の基準電圧を作ります。左下のフォトカプラOK1 PC817を介して制御信号を受けます。ＯＰアンプLM358Nにて信号と基準電圧を合わせてＯＰアンプに入力します。もう一方のＯＰアンプ入力はドライブ用トランジスタTIP31エミッタからとってきます。非反転で増幅した信号を同じくTIP31から分圧した電圧と合わせてTIP31のベースに入れます。　エミッタからＧＮＤへつなぐ抵抗R16 ０．８２Ωは５Ｗが指定されています。

この回路の特徴として、３つの半固定抵抗でdiode current 、idle current 、cut-off current　を調整できます。逆接続防止のダイオードが入っているのは分かるのですけれど、左上ＬＤに並列でＣ１　４７uFのコンデンサが入っていることの意味が不明でした。　他の似たような回路を調べてみたところ以下のようでした。　ＬＤの特性上、電流オンの際に大きな電流が流れるので、ＬＤにダメージを与える恐れがあります。それを防止する為並列に入れるようでした。　ただ、ＬＤ直近に入れるならばよいけれど、電源モジュール側に入れた場合において、コンデンサに電荷が溜まっていることがあり、ＬＤを接続する際に、コンデンサから電流が流れてＬＤを破壊することがあるとのことでした。電源モジュール側にこのコンデンサを入れるならば、並列に放電用の抵抗を入れればよいようです。

不要な、idle current 、cut-off current　回路を除き、大電流防止のコンデンサを考慮して書いたのが以下の

テスト回路です。ＯＰアンプのもう１回路は、使いませんので、参考図と同じ処理をしています。

そして、ブレッドボードに組んで試験した様子が次の

写真です。

バイク用の１２Ｖ電球をＰＷＭで点灯試験しています。ＬＭ３１７の半固定抵抗で駆動電流の制限をかけています。Grbl Controller からＳ５００を入れると暗く点灯します。写真はＳ１０００（１００％）の時に約５００ｍＡ流れるよう調整したときのものです。　最終的には５Ｖで駆動するようにするつもりですけれど、写真では１２Ｖにつないでいます。また、トランジスタTIP31Cのエミッタには抵抗を入れていません。参考回路図では、cut-off current のための分電圧が必要だから入れているように思います。テスト回路図にはＲ１１として入れてます。というか分電圧は不要ですから、この抵抗はいらないような気がしてきました。　それと基準電圧用の半固定抵抗の調整が微妙です。電流がちょっと不安定です。　多回転サーメットトリマにした方がよいかも知れません。５ＶでＬＤを駆動するのはこのままで大丈夫かも知れません。

オン時の大電流防止用コンデンサの効果を確認をした上で、７．８ｋｈｚに応答するか確かめる手順で行こうと思います。　ドのつく素人なもので、誤り等ご指摘いただけたらありがたいです。　　　メモ　：テスト回路において、ＬＭ３１７基準電圧２．７Ｖ、　ＬＭ３５８Ｎ　３ピン０～２．７Ｖ、　ＴＩＰ３１Ｃ　ベース電圧０～３．７Ｖ、　電球の電圧と電流１２Ｖ約８００ｍＡ（ベース電圧３．７Ｖ時）

そんなことより、

こんなのをポチッとすればよいだけのことですが。　こういうの日本では売ってないのですよ。単体で。

自作CNCに取り付けた１０００ｍｗＬＤは、ＰＷＭで制御できません。そこでＴＴＬのＬＤドライバーを調べていました。　例えば

とか

等、ブレッドボードに組んでテストしました。手持ちに適当なトランジスタがなかったり、応答速度や温度特性が思わしくなかったり、満足できなかったのですけれど、考えてみればGrblではスピンドルの回転数がＰＷＭで１１ピンに出ています。（grbl 0.9j） ＬＤドライバーを作るより、レーザー用にGrblを書き換えればよいと気付きました。（遅い）

というか既に書き換えをした人がいるはず、ということで「Grbl & Laser engrave」について調べたことをメモしておきます。

（１）CNC Laser for Printing Images and Engraving – Shapeoko 2 based by als_liahona　にはArduino のGrbl interpreter を改造して公開されています。

サイトよりgrbl.hexをダウンロードして

XloaderでArduino uno に書き込みます。　Grbl Controller を立ち上げ

Arduino に接続します。すると　Grbl 0.8laser [‘$’ for help] と返ってきます。　　コマンド＄Ｌ１を打つと [$L laser-mode ENABLE z-axis PWM] と返ってきます。　このGrbl interpreterは、ＣＮＣモードとＬＡＳＥＲモードを切り替えるようにできています。　＄Ｌ０コマンドを送るとＣＮＣモードに戻るようになっています。

ＬＡＳＥＲモードでは、Ｚ軸の値が即、ＬＡＳＥＲ出力になり、１１ピンに出力されます。値は０～２５５まです。つまり８bitのgray scale imageがレーザーで扱えるということです。ここで例えば　G0 Z125　と打つとduty 50{c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b}の矩形波が１１ピンにでているはずです。

オシロで確認できました。ところが周波数は7.8Khzでした。これでは使えません。

（２）Jtec photonics というサイトにはSetup for Photo Engraving (PWM)　というのがあります。そこにはGrblを書き換えたものが掲載されています。　DOWNLOAD J TECH GRBL HEXをダウンロードしてXloaderにて書き込みます。そしてGrbl Controller を立ち上げて、つなぐと

Grbl J-tech Photonics 0.9g J Tech [‘$’ for help] と返ってきます。このソフトでは、モードの変更というのではなく、”M”コマンドで直接にスピンドル回転数をPWMとして与えるようになっています。　値は（１）と同じく０－２５５までのようです。　試しに「M03 S127」と打って１１ピンをオシロで見ますと

確かに出ています。周波数は９７５ｈｚでした。　ストロベリーリナックスのLED用定電流ドライバモジュール Ver.2は５００ｈｚまでくらいしか応答しないはずですので、残念でした。

使用したArduino uno は予備のものですので、（２）について自作CNC＋LDで試していません。それとオシロスコープの画面は、USB接続が不調でキャプチャできません。画面を直接撮ったものですので見にくくてすみません。Grbl interpreter0.9j のソースコードを解析してPWMの周波数を５００ｈｚ未満に書き換えるか？　ソフト苦手です。どなたかご教示を。

追記

grbl では、v0.8 から v0.9 にかけてピン配置が変更になっています。　Grbl’s Pins

v0.8

v0.9

どうも同じ悩みを抱えている人がいるらしく、CNCにおいてスピンドルモーターにブラシレスを使っていると、回転の制御にラジコンのスピードコントローラ（SC）を使うことになります。ラジコンのSC信号は周波数が低いです。　こちらのサイトでは、０V～５Vの電圧で制御したい人が質問してます。回答とともに引用します。

variable spindle speed PWM o/p at pin D11 #823

ecncshop commented on 17 Oct 2015
Iam using GRBL 0.9I version with variable spindle PWM enabled.　　　My doubt is pin D11 : does it output analog 0V to 5V or actually outputs PWM digital pulse train with changing duty cycle?

ecncshop commented on 19 Oct 2015
If it is PWM pulse train: then what is the frequency? Is it user settable ?
This page says we will get 0V to 5V in pin D11
https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl

109JB commented on 19 Oct 2015
Not sure if grbl uses a different method, but the standard Arduino pwm is 490 Hz.

The 0v to 5 v is for the pwm equivalent. The output is not true analog. The output is a 0v to 5v square wave and the equivalent analog voltage is dependent on the duty cycle of the output. The pins are 5 v, so 100{c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b} duty cycle is 5 v, 80{c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b} is 4v, 60{c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b} is 3v, etc.

EliteEng commented on 19 Oct 2015
Variable Spindle PWM is “PWM” so yes 5v pulses at different duty cyles to give you an average voltage over time.　　The Mega uses a 16bit timer and the Uno uses an 8 bit timer to generate the pulses.　　The best source of information is the source code itself (spindle_control.c lines 85-96) which says it has a prescaler of 8 so it should have a frequency of 2MHz.　　If you want to use it as a analog voltage you can add smotthing (capacitors,etc.)
if you want to use it as pulses you can change the frequency to suit your needs.

109JB commented on 20 Oct 2015
@EliteEng
I don’t think 2 MHz is correct. The Arduino clock is 16,000,000 Hz, and the prescaler is 8 as opposed to the default Arduino prescaler of 64, but according to config.h, there are 256 intermediate levels plus the 0{c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b} duty cycle for the speed output (0-256). Also, the frequency would the duration of pin high plus the duration of pin low so you have to divide by 2.

So,
16,000,000 / 8 / 256 / 2 = 3906 Hz <<< GRBL’s PWM frequency　with the default Arduino prescaler of 64, it is
16,000,000 / 64 /256 /2 = 488Hz <<< Standard arduino PWM frequency

EliteEng commented on 20 Oct 2015
@109JB Yes It has a 2MHz pulse width not frequency
Those calculations dont look right.

fPWM = fCPU / (PRESCALER * (1+TOP))
fPWM = 16,000,000 / (8 * (1+255)) = 7812Hz for the UNO
fPWM = 16,000,000 / (8 * (1+65535)) = 30Hz for the Mega

**Note With the default Arduino you will find they use phase correct PWM ( not Fast PWM like GRBL ) so that is why you divide by 2 at the end.

EliteEng 氏が回答してる grbl の grbl ディレクトリにある spindle_control.c(line85-96) を抜粋しますと、ちょっと見にくいですが

#ifdef VARIABLE_SPINDLE
// TODO: Install the optional capability for frequency-based output for servos.
#ifdef CPU_MAP_ATMEGA2560
TCCRA_REGISTER = (1<<COMB_BIT) |              (1<<WAVE1_REGISTER) | (1<<WAVE0_REGISTER);
TCCRB_REGISTER = (TCCRB_REGISTER & 0b11111000) | 0x02 | (1<<WAVE2_REGISTER) | (1<<WAVE3_REGISTER); // set to 1/8 Prescaler
OCR4A = 0xFFFF; // set the top 16bit value
uint16_t current_pwm;
#else
（９３行目）　TCCRA_REGISTER = (1<<COMB_BIT) | (1<<WAVE1_REGISTER) | (1<<WAVE0_REGISTER);
TCCRB_REGISTER = (TCCRB_REGISTER & 0b11111000) | 0x02; // set to 1/8 Prescaler
uint8_t current_pwm;
#endif

とあります。ATMEGA2560以外は９３行目以下になるようです。プリスケーラ１／８にセットすると周波数が８Mhzになると伝えています。それに対して　１０９JB氏が２Mhzは正しくないとして、16,000,000 / 8 / 256 / 2 = 3906 Hz <<< GRBL’s PWM frequency　という計算になると述べています。　また、EliteEng氏は以下が正しいと述べています。

PWM = fCPU / (PRESCALER * (1+TOP))
fPWM = 16,000,000 / (8 * (1+255)) = 7812Hz for the UNO
fPWM = 16,000,000 / (8 * (1+65535)) = 30Hz for the Mega

で、今回、上記（２）で試した Grbl.8laser.HEXで観察した７．８Khzや、あるいは現在使っている純正のGrbl0.9jが１１ピンに出力する７．８Khzに等しいことがわかりました。（上記の青字７８１２Hz）

結局、引用文中の16,000,000 / 64 /256 /2 = 488Hz <<< Standard arduino PWM frequency　が欲しいのですけれど、ソースのどの部分を修正したらよいのか分かりません。　もう少し検討です。　　本当の目的は、原点の位置決めを正確にしたいためにレーザー出力を１０％程度に弱めたいだけです。

更に追記　Arduino 内部レジスタの説明があります。
Arduino PWM周波数の高周波化