## エレキ班
中山 足立
### 0. はじめに
本報告書は電通大deラボで製作したMD700の電装基板ユニットの設計・製作に関する報告書である。MD700には複数の機器が搭載されており、それらの信号線や電源線を一か所に集め安全に接続するハブや、各機器に応じて適切な降圧を行う必要がある。エレキ班ではこれらの要求を達成する為に回路基板を設計した。回路基板は、電通大deラボにある3Dプリンタを用いて作成した専用ケースに格納され、ユニット単位で取り扱うようになっている。これにより、機体の形にとらわれない柔軟な配置を可能にした。

電装基板ユニットは以下のユニットで構成される。それぞれのユニットは完成しており、今の所意図通りの動作を確認している。

#### Power_Supplyユニット
電源降圧ユニット
#### Terminalユニット
各装置間の信号線や24V,5V電源を接続する総合ハブユニット
#### Jetsonユニット
NVIDIA Jetsonを搭載したユニット
#### <del>User_Interfaceユニット</del>
以前提出した"MSD700-3号機エレキ班報告書"に存在したが、PLCを用いたLED制御ICの操作が難しく削除

これらのデバイスは全て下図のように3Dプリンタで造形したユニットケースに収められ、機体のDINレールに取り付けられる。

(ケースの写真)

(機体に取り付けた様子の写真)

また、電源線用コネクタには下図のような大電流に耐え接続性良好で配線変更にも柔軟に対応でき、工具フリーでユーザ一に容易に取り付けられ、本社でも採用されていたWAGO社製のコネクタのPCBバージョンを統一規格として採用した。

(WAGOの写真)
### 1. 開発手法
エレキ班は2名のメンバーで開発した。開発方針は一枚の大きな基板ではなく必要な機能をユニット分けして開発することとした。ユニット分けをすることにより、メンバー間で開発の同期をする必要が無くなり、またデバッグも容易になるというメリットがある。別々の基板を発注することにより開発時のコストは上がってしまうが、製品化する時に回路を統合して1枚に纏めれば問題ないと考えた。

また、開発段階ではインターンでの経験を活かし、以下のような工夫をして作業効率化を図った。
・Eagleを用いて回路を設計し、製造業者に依頼することで設計に専念した。
・回路シミュレータを用いて実際に基板を作ることなく回路を検証した。
・EagleとFusion360を組み合わせた3Dモデリングにより、事前にユニットサイズを共有した。

### 2. ユニット設計
本セクションでは当班でPCB基板を作成したユニットについての情報を載せる。JetsonユニットはJetson製品をユニットケースに収めただけのものであるため、省略する。
#### 2-1. PowerSupplyユニット

(ユニット外観)
##### 開発の工夫点・学んだ点

##### ユニット仕様
概要：電源降圧機能、UPS(非常用電源)機能を有する
仕様詳細は以下の通りである
* 降圧機能
* 24Vから5Vに降圧を行う
* 5Vは3A以上の出力を可能とする
* <del>48Vから24Vに降圧を行う</del>（本verでは未実装・外部降圧回路で行う）
* <del>24Vは1.2A以上の出力を可能とする</del>（本verでは未実装）
* コネクタ周り
* 入出力端子にはWAGO端子を用いて統一規格を採用する
* その他
* DINレールへの取り付けが可能かつ容易である
* <del>5V出力においてUPS機能を備えている</del>（後述の理由により本verでは未実装）
* <del>PLCでの電圧監視を目的として48Vを9Vに分圧して出力する</del>（"MSD700-3号機エレキ班報告書"に存在したが、Terminalユニットに同様の機能を実装した。)
* <del>防水・防塵性能を持っている ※IP規格：IP54を目標とする</del>（本verでは未実装）

##### 開発の工夫点・学んだ点
###### UPS機能を実装失敗の原因
UPS機能は、下図のように大容量コンデンサを電源に並列に接続することで実現しようとした。
(UPS失敗例)
これで基板回路を作成し実験した結果、電源を切るとコンデンサが一時的に電源の役割を果たし、UPS機能は確かに実現出来ていた。しかしながら、Jetsonは正常に起動しなかった。調査の結果、原因はコンデンサを大量につないだことにあると分かった。コンデンサを繋ぐと起動時にはコンデンサの充電に時間がかかり、電圧の上昇に時間を要するが、この現象がJetsonの起動を妨げているようである。
この現象により、現verのUPS機能は削除された。解決策としては、ツェナーダイオードを下図のように追加することで、一定の電圧になるまでJetsonへ電圧をかけないようにすることが挙げられる。
(UPS解決策)
##### 添付資料
本報告書末尾に添付されている資料のリストと、その概要を以下に記す。
- 図面ファイル
- 図2-1-1. Power_Supply_Unit回路図面
- 図2-1-2. Power_Supply_Unit実装図面
- 部品リスト
- 図2-1-3. Power_Supply_Unit部品リスト

##### 技術情報
###### 降圧機能
本降圧機構はDC-DCコンバータ方式である。DC-DCコンバータ方式はスイッチングレギュレータで電流をパルス化し、その電流をコイルによって平滑化することで降圧を行う。回路は以下のようになる。
(降圧機構イメージ図)

#### 2-2. Terminalユニット
##### ユニット外観
(Terminalユニット外観)
##### ユニット仕様
概要：各装置間の信号線や電源を接続する総合ハブ機能を有する
仕様詳細は以下の通りである
* 電源周り
* ブレーキ2つの電源を接続する
* シリンダ2つの電源を接続する
* PLCユニットへの電源を接続する
* 信号線周り
* シリンダー2台の信号線を接続する(シンク・ソースロジック変換)
* MD2台の信号線を接続する
* PLCの信号線を接続する
* 入出力端子用コネクタ
* 電源供給、ブレーキ、シリンダ用電源...WAGOコネクタ
* PLC, 5VDC-DC用電源...ATX電源用コネクタ
* PLC, MD信号線...MILコネクタ
* UIユニット、シリンダ信号線...XAコネクタ
* その他
* ブレーキスイッチング用のリレー2つを搭載する
* DINレールへの取り付けが可能かつ容易である
* 電源電圧監視を目的として48Vを5Vに分圧して出力（本verで新たに追加）
* <del>防水・防塵性能を持っている ※IP規格：IP54</del>（本verでは未実装）
##### 開発の工夫点・学んだ点
###### コネクタ選定
使用コネクタはユニット仕様に記載した通りであるが、選定時の根拠について以下で述べる。
* 電源供給、ブレーキ、シリンダ用電源...WAGOコネクタ
* 共通採用したものである。
* PLC, 5VDC-DC用電源...ATX電源用コネクタ
* 大した電流は流れない（1A程度）ものであるから、なるべくコンパクトかつ取り外しが容易なものを選んだ。
* PLC, MD信号線...MILコネクタ
* ピン数が多く、省スペース性は必須である。本コネクタはPLCで使われていたものであるが、省スペース性に優れているので採用した。
* UIユニット、シリンダ信号線...XAコネクタ
* ピン数はそれほどないが、ATXコネクタにしては多い。よって高信頼で抜き差しに優れたものを選んだ。
###### ロジック変換回路
今回使用したPLCはシンクロジックであるが、シリンダはソースロジックで動作するので、この間のやり取りを可能にするための変換回路を検討し、実験を経て作成した。

シンクロジック/ソースロジックについての解説は、以下のweb文献を参考にされたい。
(オリエンタルモーター株式会社 "シンク、ソースって何？？")
https://www.orientalmotor.co.jp/tech/teruyo/vol35/m/
実験ではNPNトランジスタを用いる回路やフォトカプラを用いる回路を検討したが、最終的にPNPトランジスタを用いた回路でシンプルかつうまく動かすことが出来た。うまくいった回路等の詳細は技術情報の項を参照されたい。

###### 電源逆接続保護回路の必要性
作成した基板の動作テスト段階で電源を誤って正負逆に繋いでしまい、トランジスタを焼損させたことがあった。このことから、基板上シルクで正負を明示する事や、万が一逆に繋いでも機器を保護する為の回路が必要であると感じた。

##### 添付資料
本報告書末尾に添付されている資料のリストと、その概要を以下に記す。
- 図面ファイル
- 図2-2-1. Terminal_Unit回路図面
- 図2-2-2. Terminal_Unit実装図面
- 部品リスト
- 図2-2-3. Terminal_Unit部品リスト
- 配線リスト
- 図2-2-4. Terminal_Unit配線リスト

##### 技術情報
###### シンク・ソースロジック変換
今回使用したPLCはシンクロジックであるが、シリンダはソースロジックで動作するので、この間のやり取りを可能にするための変換回路をPNPトランジスタを用いて実装した。
回路イメージ図は以下の通り。
(ロジック変換回路の概念図)

###### リレー作動回路
PLCのスイッチング回路は微弱な電流しか流せないので、大電流をスイッチングする場合はリレーを間に挟む必要がある。しかしながら一般のリレーはソースロジック的なものであり、PLCはシンクロジックであるから、前項のようにPNPトランジスタを用いてスイッチングする必要がある。
回路イメージ図は以下の通り。
(リレー回路の概念図)

###### フィードバック回路
各装置からフィードバックを受けるには、電位差を測るものや電流のON/OFFを測るものがある。本回路では両方のフィードバック回路を実装したが、電流カウンタ回路の方では24Vを引き込む必要があり、ここにつまずいたので以下に記す。
電流カウンタ回路のイメージ図は以下の通り。
(電流カウンタ回路のイメージ図)
### 3. 今後の進展
#### 防水・防塵
防水・防塵処理を施すことで、悪環境でも基板の安定した作動が期待できる。こちらは本社側の検討結果を受けて実装予定である。
#### 基板統合
ユニット開発した基板を統合することで、製造コストダウンが期待できる。基板はEagleを用いて設計したので、統合作業は容易である。
#### 電源用コネクタの再選定
今回採用したWAGOコネクタは開発現場ではとても便利なものであるが、値段が高く製品化の際にはコストがかさんでしまう。従ってより安価なコネクタへの置き換えが必要である。

### 4. 添付資料
図2-1-1. Power_Supply_Unit回路図面

図2-1-2. Power_Supply_Unit実装図面

図2-1-3. Power_Supply_Unit部品リスト

図2-2-1. Terminal_Unit回路図面

図2-2-2. Terminal_Unit実装図面

図2-2-3. Terminal_Unit部品リスト

図2-2-4. Terminal_Unit配線リスト+