弧理論(Ark Theory) 解説ブログ

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

ＬＤの特性について、試した限りについてメモしておきます。以下の内容が正しいかどうかわかりません。予めご了解ください。半導体レーザーの出力（５００ｍｗとか）は、光出力のことで、こちらには、

LDでは、電気エネルギーが光に変換される。LDの消費電力とレーザー出力が同じ W であるため、LDの発光効率（発振効率）は、これらの比で容易に求めることができる。

Efficiency({c4de8a001cbcae7c382f1dd801287804055307794e3d216dc125c16c479c4f5b}) = Optical output power / ( Operating Voltage x Operating current )、

とあります。　同時に変換効率は～６０％のようです。（資料失念）

５００ｍｗ用ＬＤで

測定したところ、ＬＤにかかる電圧と電流は

１．８Ｖ×４００ｍＡ＝０．７２Ｗ　でしたから×６０％として０．４３２Ｗ、約４３０ｍｗ（推測）となります。放熱の状況や木を焼く様子を他の５００ｍｗの動画と比較しながら決めた値です。

そして、１０００ｍｗＬＤで

測定したところ、ＬＤにかかる電圧と電流は

４．４１Ｖ×４００ｍＡ＝１．７６Ｗ　でした。同じく×６０％を採用すると、１．０５８Ｗ、約１０００ｍｗ（推測）となります。ＬＥＤ用定電流電源モジュールの取説にある「電源側PWM入力」の電圧は実測値で０．４８２Vでした。１０００ｍA流すに１．２５V必要ですから、０．８４２Vですと、１０００÷１．２５×０．４８２＝３８５．６ｍAということになります。アナログ電流計で目分量４００ｍAに設定したので、だいたい合っています。　それと黒いヒートシンク底面から６０㎜の位置が焦点でした。アクリル板でゲージを作っておけば便利です。　まあ半分くらいが熱になるという認識でいいのでしょうか。あちこち探してみるとＬＤの使用温度は、２０℃～５０℃？くらいまでとのことですから、ばかでかいヒートシンクが必要ということです。

このときの安定化電源の設定は、２３．３Ｖで８０ｍＡ（１．８６４Ｗ）でした。１.７６÷１．８６＝０．９４６となります。ということでＬＥＤ用定電流電源モジュールの変換効率は非常に高いことがわかります。これなら定電流モジュールにヒートシンクは不要のようです。　　自作ＣＮＣのステッピングモーター用電源としてＡＣ－ＤＣアダプター２４Ｖを用いていて、そこからＬＤ電源を取る予定です。その実測値が２３．３Ｖということです。

今回の１０００ｍｗＬＤの資料をメモ。　ちょっと意味わかりません。

波長：445nm(青)　　順電圧降下：最大4V以上　　1Aで1W出力として使用されていたものですが、ダイオード自体は1.6A1.5Wほどまで動作することができます。

５００ｍｗ用ＬＤヘッドの資料

• 電圧：4.5V-5V
• カラー：ブルーパープル
• レーザー出力：300mw/500mw選択可

電圧なんか書かれても大凡の目安にしかなりません。Ｗ数（光出力）と変換効率が知りたいですね。

あと、ＬＤには閾値があるようで、徐々に電流を上げていくとＬＥＤのようにぼんやり光だし、更に増やすとあるところから間歇的にレーザー光を出し始めます。と同時急激に電流が増加し始めますので、電流電圧を監視しながら徐々に使える領域を見極めました。　　また、青の補色はオレンジですし、青紫の補色は黄色のようです。　プリント基板の銅箔に塗装するならオレンジがよさそうです。

先日、自作ＣＮＣに５００ｍｗ用レーザーモジュールを取り付ける計画を記しました。（ＬＥＤ用定電流モジュールでＬＤ点灯試験）　目的は、プリント基板の製作です。生基板の銅面に塗装を施し、塗装をレーザー光で焼き切れば、塗装を剥離できそうです。　剥離したところをエッチングにより溶かせば、回路ができます。

で、中華製５００ｍｗ青紫ＬＤモジュールに中華製ど派手金ぴかヒートシンクを

付けました。

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（７０ｍＡ～３５０ｍＡ）用でいろいろ試して

自作ＣＮＣに取り付けました。　一応強制空冷です。写真の黒いプロペラは、おもちゃの３ｃｈラジコンヘリのテールローター部分です。１．５ｖ程度で十分冷やせます。

ただ、

焼け具合は、はっきり言ってショボイです。　　そこで、急遽計画変更。某所より入手した青色１０００ｍｗＬＤ（Max１．６ｗ）

を、ついでに入手しておいた中華製真鍮ケース＋アルミヒートシンクに入れたのが

これになります。

ミニルーターを固定しているＵ字ボルトの締め付けナット２個を外し、上写真のようにレーザーモジュールを載せて３ミリボルト２本で固定します。　因みに中華製ヒートシンクに付いていたコリメーターは焦点が合わなくて、５００ｍｗ用モジュールに付いていたものを転用しています。

定電流ドライバモジュールは、電流容量が不足しますので

写真（上）　【放熱器付】LED用定電流ドライバモジュール Ver.2(～1000mA可変)＜降圧型＞に変更の予定です。　　組み上げた１０００ｍｗＬＤモジュールは、安定化電源からの供給でとりあえず点灯することを確かめました。これからVer.2でテストの予定です。　ここで問題があります。取説によればVer.2の外部からのオンオフは、５００ｈｚ以下で使用する必要があるようです。中間的な出力をＰＷＭで制御できないようです。確かArduino unoからのスピンドル信号（ＰＷＭ）は１０数khzあったと記憶しています。　　ついでながら、ＬＤを静電気破壊から守るために、静電気防止リストバンドを用いました。研究せずに、こんなことして遊んでいてよいのだろうか。

追記

１０００ｍｗ青色ＬＤなら

白いコピー用紙も焼いて切り抜けます。５００ｍｗ青紫ＬＤでは焼けませんでした。　　保護めがねがありませんので、濃いサングラスした上で直接は見ないようにしています。　相手が白だともの凄くまぶしくて、ちょっと危ないです。　強さと寿命と放熱はトレードオフの関係にあるようです。設定をどれくらいにするべきか検討が必要です。

追記

LED用定電流ドライバモジュール Ver.2　はLED用です。LD に用いることでLD の寿命に影響を与えるかも知れません。