ロボットの電源設計 — モータ起動で計算機が落ちる原因を追う

モータを起動した瞬間に計算機が再起動するなら、ソフトウェアのログだけでなく電源経路を確認する。電池の公称電圧が十分でも、負荷をかけた瞬間の入力電圧やDC-DCの出力が保たれるとは限らない。本記事は低電圧DCの小型ロボットを想定した切り分け手順であり、商用電源や高電圧駆動系の作業手順ではない。

まず電源経路を書き出す

電池から保護回路・コネクタ・配線・DC-DC・計算機までを描き、モータの大電流がどの区間を共有するかを示す。正極だけでなく戻り線も含める。電池、アクチュエータ、DC-DCを別々に理解していても、共有インピーダンスはシステム全体で確認する必要がある。

公称値と負荷時の電圧は違う

仮に電池・配線・接点の合計抵抗が0.12 Ω、始動で電流が5 A増えるなら、抵抗分だけで追加の電圧降下は \Delta V=\Delta I R=0.6 Vになる。これは仮定による計算で、newbotの実測抵抗ではない。配線のインダクタンスやDC-DCの制御応答を含めれば、さらに時間依存の挙動が加わる。

負荷側の電圧を見ずに電池端子だけ測ると、途中の配線や接点の問題を見逃しやすい。機器の最低入力電圧と電源条件は、使用型式の資料で確認する。例えばRaspberry Pi公式資料でもモデルごとの電源要件が区別されている。

同じ時間軸で発生位置を探す

図1 · 横にスクロールして図を読む

再起動が出る負荷イベント、電池の充電状態、配線、機器の版を固定する。電池端子、DC-DC入力、DC-DC出力、計算機端子を可能な範囲で同時に観測する。平均値だけのテスター表示では短い低下を見逃す場合がある。

オシロスコープを使う場合は、プローブの接地が回路を短絡しない構成と定格を確認する。接地構造を判断できない回路には接続せず、適した差動計測などの方法を選ぶ。この手順で測るのは低電圧DC部であり、保護回路を無効化して原因を探さない。

波形から次の候補を選ぶ

これは候補を絞る表であり、一波形から唯一の原因を断定するものではない。電圧が保たれているのに停止するなら、通信・リセット線・熱・ソフトウェアなどへ調査を広げる。

コンデンサだけで直るとは限らない

理想化した放電の式 C=I\Delta t/\Delta V で、追加電流1 Aを10 ms、電圧低下0.2 V以内で支えるなら C=0.05 F、つまり50,000 µFとなる。これはコンデンサが不足電流をすべて補う仮定であり、その容量を取り付ける推奨ではない。ESRによる瞬間的な電圧降下、突入電流、DC-DCの安定性も確認する。

小容量部品を足す前に、共有配線の抵抗、コネクタ、変換器の動作範囲を点検する。定格だけでなく過渡条件を読む考え方は、TIの電源設計資料などから使用部品のデータシートへ進むと確認しやすい。

修正後は同じ条件で再確認する

変更した箇所、始動時の最小電圧、再起動の有無、試行回数、電池状態を残す。一度動いたことを全条件の保証にせず、低い充電状態や同時負荷でも確認する。newbotの地図・走行記録にある電源課題は、この測定計画を適用する候補だが、本記事ではその原因を新たに測定・確定していない。