太陽電池電源安定化システムプログラムの開発に着手

　太陽電池から得られる電力をロボットの電源としていかに効率良く利用できるかというテーマで始まったソーラーパワー安定化システムの試みは実験するための器材の準備が整い、あとはこれらの器材を制御するためのソフトウェアを作成することで実験が可能となります。ソフトウェアの基本的な流れを要約すると以下のようになります。

○太陽電池の電圧を常に監視
○最大出力領域の設定
○条件分岐でこの領域から外れた場合にはリポバッテリーから電流をPWM出力
○電圧が設定領域以下の場合はデューティー比を徐々に上げる（最大値100％）
○電圧が設定領域以上の場合はデューティー比を徐々に下げる（最小値0％）

　以上のようなフローチャートにしたがって基本的なプログラムを組んでみたいと思います。実は制御システムとしてある程度実用的なレベルで使えるようにするにはリポバッテリーの容量を監視する必要もあります。リポバッテリーに関する資料によるとこのバッテリーは充電池の中でもかなりデリケートな部類に入るようで、過充電および過放電によってすぐに劣化を招くようです。今回のシステムでは過充電は考慮する必要はありませんが過放電に対しては何らかの対策が必要と思われます。

ソーラーチャージャーの逆を行く

　太陽電池をロボットの電源として利用する場合、一番の問題となるのはその起電力の不安定なことです。雲の多い天気では太陽が雲に隠れると電力は大きく低下してしまいます。この問題を解決するため、今月から電力が低下する度合いによってリポバッテリーから不足分を補う電源システムの開発を進めています。このシステムは太陽電池でバッテリーを充電するソーラーチャージャーとは全く逆のことをすることになります。このシステムを考えた当初は電力の低下の度合いによってバッテリーからどのような方法で不足分に見合った電力を供給したらよいのか手探りの状態でした。そこでヒントとなったのがやはりソーラーチャージャーでした。一般的なソーラーチャージャーでは太陽電池とバッテリー間にMPPTと呼ばれる電流調整用の装置が入っているようです。これは太陽電池の起電力の状況を把握しながら最大出力領域で働くようバッテリーへの充電電流を調整する仕組みです。この電流調整にはどうやらPWMが使われているようです。それなら太陽電池の不足分を補うのにこのPWM方式を使えないか試してみるのが今回の実験テーマです。PWMの出力にはPchFETを用いた簡単なドライバを製作しました。あとは制御用のソフトウェアが準備できれば本格的な実験に入ることが出来ます。

実験器材をちょっとだけ製作

　今日は午前中、電圧測定用のプログラムを使って自作太陽電池パネルの電圧を測定してみました。測定した結果はほぼメーカー仕様書どおりの電圧があることが確認できました。今日のテストではちょっとした発見がありました。それは日差しが強ければ強いほど電圧が上がるものと思っておりましたがどうも肌で感じる日差しの強さと電圧が一致しません。むしろジリジリと照りつけるような日差しになると僅かながら電圧が下がる傾向にあります。最初は気のせいかとも思いましたがしばらく電圧の変化を観察すると日差しが強いにもかかわらずやはり電圧が落ちてくることがあります。しばらく考えて出た結論はどうも太陽電池の温度が影響している可能性があります。太陽電池の物性に関する資料には太陽電池が高温になると効率が落ちる記述があることを思い出しました。今日の電圧計測で発見した事象はこのことかもしれません。現在自作太陽電池パネルはなんら防水対策は施していませんが夏場の使用には防水対策とは別にパネルの放熱対策も加味する必要がありそうです。
　さて、午後からはリポバッテリーを併用したテストを行なうつもりでしたが、ワニ口クリップやICクリップを駆使して回路をつなげる作業が思いのほか煩わしく、予定を変更して実験をやりやすくするために実験器材を少しだけ改良することにしました。特に実験に際して配線の取り回しを楽にするため、手持ちのユニバーサル基板に回路を組み入れました。これによって明日以降、実験の準備はこれらの基板と太陽電池パネルの電極を接続するだけで行なえる環境になりました。

とりあえず太陽電池の電圧測定プログラムを走らせる

　今年はゴールデンウィーク以降、晴れの日が長続きせず、なかなか五月晴れとなりません。今日は朝方、地表付近に霧が薄っすらとかかったものの、まもなく消えて太陽電池日和となりました。今月初め、テスト用の太陽電池パネルの製作を終えてここしばらくは電源システムの開発に重点を移しています。今日はとりあえずマイコンのA/Dコンバータを使って簡単な電圧測定プログラムを組み、太陽電池の電圧を実際に測定してみることにしました。今日の日射量は太陽が雲に遮られることもなく、ほぼ最良に近い条件です。テストに使った自作の太陽電池パネルは球状シリコン太陽電池セルで構成される実行出力7.0V,1.67A,11.7Wの仕様です。テスト用の器材は端子間をICクリップで接続し早速電圧測定開始です。マイコン用の電源はこの太陽電池を利用しています。

　測定を始めて気が付いたことは太陽の明るさに変化がないように見えても電圧がめまぐるしく変化することです。バッテリーの電圧を測定した場合は表示された値はほとんど変化しないのでこれはかなり大きな違いです。表示された値はほぼ8.0Vを挟んで上下しています。この電圧はほぼ無負荷電圧に近い値となりました。おそらくマイコンボードで消費される電流に比べるとかなり余裕があることが分かります。午後は小型のモーターを使い、1.0A程度の電流を流してパネル電圧がどのように変化するか見たいと思います。

来月は電源システム開発の基礎実験

　今週は太陽電池と補助バッテリーを併用した電源安定化に向けた基礎実験を行なうために実験用回路の製作とマイコンを使った簡単な電圧計測プログラムを作成中です。基礎実験の内容としては太陽電池に負荷となるモーターを接続した状態で補助バッテリーからFETドライバを介してPWMで電流を流し、そのデューティー比の変化で太陽電池の電圧がどのように変化するのか見るのが狙いです。この実験を積み重ねることで太陽電池の出力低下の度合いによって補助バッテリーからの電流を調整する最適なデューティー比のデータが得られるような気がしています。最終的には得られたデータを元にマイコンで太陽電池の出力を常時監視して出力が低下した場合には自動的に補助バッテリーから不足分を補うシステムを構築したいと思います。

太陽電池の電源安定化テストの準備

　昨日は太陽電池の出力が低下した場合にリポバッテリーから不足分の電力を補うテストボードを製作しました。今日は太陽電池の電圧を監視するための簡単な回路を製作するつもりです。この回路が出来上がるとテストのためのハードウェアが揃います。問題はハードウェアを制御するためのソフト面の開発です。例えば太陽電池に負荷となるモーターを接続して回転させた状態で太陽電池の出力が低下すると当然電圧が降下します。このとき電圧降下をマイコンで検出できればリポバッテリーから電力を補うタイミングとすることが可能です。しかし、この電源制御の難しいところはリポバッテリーから電力を補っている状態で太陽電池の出力が回復したときに、このことをどのような方法で判断するかです。リポバッテリーの電源をそのまま電源回路に入れた時点で太陽電池自体はおそらく無負荷に近い状態となり、電圧も無負荷電圧近くまで戻ると思われます。これでは太陽電池の発電能力が実際にどのような状態にあるのか判断できなくなってしまいます。そこで今考えているのがソーラーチャージャーの逆を試すことです。ソーラーチャージャーは太陽電池の電力を利用してバッテリーに電気を蓄える装置ですが、この間を取り持つのがMPPTと言われる太陽電池の電力を効率よくバッテリーに供給する装置です。この装置は太陽電池が最大出力点を常に維持するようにバッテリーに流す電流を調節する役割のようです。調べてみるとこの電流の制御にはどうやらPWMを使っているようです。おそらく太陽電池の電圧を監視しながらバッテリーに流す電流をデューティー比で調節しているようです。それならば逆にバッテリーからPWMの電流を流すことによって太陽電池の出力不足分を加減出来そうな気がしています。はたしてこの考え方がうまくいくかどうかは実際にテストしてみないと分かりません。

補助電源投入用テストボードを製作

　ロボットの電源として太陽電池を用いる場合、最も大きな問題は供給される電力が太陽光の照度によってめまぐるしく変化することです。その変化がロボットで必要とされる電力の範囲内であれば問題ありませんが、太陽が雲に隠れて起電力が下がり、太陽電池からの電力だけではロボットの動作に支障をきたす状況になった場合、何らかの補助電源が必要になります。次期チャレンジ艇ではこの補助電源として2セルのリボバッテリーを搭載する予定です。ふたつのパワープラントを載せる点では自動車メーカーで最近販売を伸ばしているHV車と何か共通したところもある気がします。ふたつの電源を利用する場合、電源の完全切り替えあるいは電力の不足分だけを賄う併用の二通りの考え方があり、それに用いる器材もリレーとトランジスタあるいはFETなどの半導体を使うことが考えられます。それぞれに一長一短があり、どの方式が有利なのか未だ結論が出ない状態です。しかし、迷っていても開発の次のステップに進めないのでとりあえず半導体を使った電源併用方式で電源の安定化を進めてみることにしました。この電源併用方式では太陽電池の起電力が大幅に低下した場合に太陽電池と並列に接続したリポバッテリーから電力の不足を補う狙いです。一昨日、リポバッテリーからの電力を必要な時に接続するためのスイッチ回路をブレッドボード上で組み、動作テストを行ったところ、問題無いようなので今日は太陽電池と併用したテストを行うためのテストボードを製作してみました。電子スイッチとは言うものの最終的にはFETを用いたモータードライブボードと同じ作りです。一般的にはモータドライブの場合、NchFETを使うケースが多いように感じますが、太陽電池と並列に接続するためにNchFETを用いるとどうも具合が悪そうで、このテストボードではあえてPchFETを使用しました。写真にあるPchFETがユニバーサル基板からはみ出した恰好で乗っているのは以前、パッケージサイズを確認しないまま誤って購入したPchFETを使ったからです。このテストボードにマイコンから信号を送ることで必要な時だけリポバッテリーの電源を投入することが出来ます。来週からは太陽電池とリポバッテリーの電源を併用する形での実験に入りたいと思います。

純粋なソーラーパワーロボットを目指して

　先週から太陽電池をメイン電源としたロボット電源システムの検討を始めましたが、ここしばらくは太陽電池の出力が低下した際に内蔵バッテリーでその不足分を補うシステムを考えています。今週は太陽電池の電源回路に内蔵バッテリーを接続するためにスイッチの役割をする電子スイッチ回路をブレッドボードで試作していました。その結果、どうやら問題なくスイッチとして使える目途が立ったので明日からの休日を利用して本格的にスイッチボードを試作する予定です。これと平行して太陽電池の電圧を監視する回路およびソフトウェアの開発も進めたいと思います。さて、これまで太陽電池を安定した電源として利用するための方策を色々調べてみると、ロボット電源システムと一般的なソーラーシステムにはいろいろな面で共通点があることが分かりました。とくに興味を引いたのは太陽電池の電力でバッテリーを充電するMPPTと呼ばれるチャージコントローラです。これは常に太陽電池の電圧を監視しながら最高出力点に近い条件で充電するシステムのようです。しかも充電電流はPWM方式を使っています。まだ詳しい仕組みまでは調べていませんが、おそらく太陽電池の電圧を最適に維持するようパルスのデューティ比を加減しながら充電をコントロールしているようです。ロボット電源システムでは内蔵バッテリーから不足分の電力を流しますが、ソーラーチャージャーの場合は電流の向きがまったく逆になるもののその制御方式にはなにか共通点があるようです。実はこのロボット電源システムも最終的には内蔵バッテリーの容量が少なくなった場合には太陽電池から充電できる機能も備えるつもりです。この機能も備わると純粋にソーラーパワーロボットになります。

PchFETで電子スイッチの回路テスト

　太陽電池を電源としてロボットを動かす場合に最も頭の痛い問題は天候によって起電力が低下した際、どのような対策を取るかです。今考えているのは電力供給が低下したときには内蔵バッテリーから電力を供給する案です。そのためにはスイッチ回路が必要になります。今週からはFETを使った電子スイッチの検討を始めました。当初は手持ちのNchFETを使って回路テストをおこなう予定でしたが、太陽電池の電源回路にこのNchFETを組み込むと問題がありそうな気がしてここ数日足踏みしてしまいました。ところがふとPchFETを用いた回路を検討してみるとこちらの方は問題無さそうです。そこで昨日からPchFETを用いた回路をブレッドボード上で組んで今日は回路テストを行なってみました。写真にある大柄なパッケージがPchMOSFETです。実はこのFET、昨年本格的なFETモータードライブボードを製作しようとネット上でろくにサイズも確認しないまま購入したおかげで基板に差し込めないビッグサイズであることに現物が届いて初めて気が付き、これまで机の引き出しに仕舞い込んでいたものです。NchFETとはドレイン、ソース間の配線が全く逆になるので最初は戸惑いましたが、ブレッドボード上で配線を終えた後、電源を入れると問題なくスイッチ機能が働きました。週末には実際に太陽電池と内蔵バッテリーの間にこの電子スイッチを組み込んで実用になるかテストしようと思います。

電源切り替え回路を電子スイッチ方式で試す

　太陽電池をロボットの電源として活用する場合、最も大きな障害となるのは天候の状況によってその電力が刻々と変動することです。そのためこの不安定な電力を安定した電力として取り出す対策が必要です。その対策としては比較的容量の大きなバッテリーへ太陽電池から充電し、充電されたバッテリーを安定した電源として利用するのが一般的な方式です。しかし、ロボットのような移動体にはあまり大きく、重いバッテリーは積めません。したがって移動体としての効率を考えると太陽電池で充分賄える電力を発電している時は太陽電池を単独の電源として用い、電力が低下したときだけ不足分をバックアップ用のバッテリーで補う方式が有利です。そこで今週はトランジスタとFETを使った電子スイッチで太陽電池の電源回路にバッテリーからの電気を流す回路を模索しています。リレーを使う方式では機械的に太陽電池の回路とバッテリーの回路を完全に遮断できますが、電子スイッチでは双方の回路を並列に接続しておくことになります。当初は簡単に作れそうな気がしていましたが、いざ回路を考え始めると問題が出てきました。バッテリーからの電源供給は手元にあったNチャンネルFETを使って電流を流すことにしましたが、このFETは電源とドレイン間で電流が流れるため例えばモーターを回転させる場合、この間にモーターを入れる必要があります。ところが太陽電池でモーターを回すときはプラス電極とマイナス電極間にモーターを入れることになります。そのまま並列に接続するとモーターのマイナス端子はドレイン側とアース側に同時に接続することになってしまいます。どこかおかしな回路になってしまいました。おそらくこのような回路構成ではバッテリーから電流が流れないような気がします。そこでここ数日なにか妙案がないか知恵を絞っていましたが、NチャンネルFETではうまく行きそうにありません。そこでふと浮かんだのがPチャンネルFETを使った場合の回路です。こちらはN-FETと全く逆にドレインからアース側に電流が流れます。したがって太陽電池の回路に並列に接続しても最終的にどちらも同じアースに電流が流れることになります。筆者の理屈通りうまく動くかどうかは実際にP-FETを使った簡単なドライブ回路を製作して確かめるしかありません。そこで今日から明日にかけてテストボードを製作してテストする予定です。