Fahrtregler

ACAV's SPUR-N Modellbahn Seite

Schaltungen

Anlage

für Modelleisenbahnen (Spur-Z bis 0/1)

Analog und doch digital :-)

Das ist das Update. Der alte Artikel findet sich hier.

ACAV, 2013-12-10

Beschreibung:
Spezifikationen:
Funktion:
Schaltungsbeschreibung:
Betriebsmodi:
Links, Auszüge und Kopien:
Downloads:
Nachbau:

Beschreibung:

Dieser Fahrtregler dient zur Steuerung von Modelleisenbahn Lokomotiven oder als Motorregler allgemein,
nur für DC-Motoren (kein Wechselstrom)

Das Design basiert auf einem AVR ATTINY44 Mikrocontroller und ist daher sehr flexibel.

Spezifikationen:

Eingangsspannung:   18V-24V DC (bis zu 30V möglich, evtl müssen Bauteile dann angepasst werden)
Ausgangsspannung:    5V -15V DC (bis zu 24V möglich, evtl müssen Bauteile dann angepasst werden)
Ausgangsstrom:        bis 1A            (Limits von 0.1A bis 5A möglich, evtl müssen Bauteile dann angepasst werden)
PWM:                       jain, Frequenz variabel, Tastverhältnis 100% (DC) möglich
Linear:                       möglich
Kurvenform:              Rechteck-PWM, Rechteck-PWM + DC, nur DC, Sinusform+DC.
Steuerung:                manuell (Poti + Schalter) oder Remote (über I2C), auch gleichzeitig

Funktion:

Ein Grossteil der Funktionen ist Software abhängig.
Bis jetzt realisiert:
Es existieren 7 Kennlinien mit jeweils 27 Stufen.
Bei Modi mit PWM Anteil wird dieser bis Stufe 16 hinzugefügt, danach ist das Ausgangssignal reines DC.

Schaltungsbeschreibung:

siehe Diagramm als PDF-Link.

Aus der Eingansspannung werden mit Linearreglern die Spannungen +5V und +12V erzeugt.
Ebenfalls aus der Eingangsspannung wird mit einem Schaltregler die Ausgangsspannung gewonnen.
Dieser Schaltregler bekommt seinen Vergleichswert vom Mikrocontroller, der diesen mittels PWM (60kHz) und Tiefpass erzeugt.
So kann der Controller die Ausgangsspannung einstellen.
Durch die Verwendung eines Schaltreglers ist die enstehende Verlustleistung und damit die Erwärmung sehr gering.
Die Geschwindigkeit der Änderung der Ausgangsspannung ist limitiert auf etwa 100Hz. Dies ist designbedingt.

Die Ausgangsspannung des Schaltreglers wird nun dem PWM-Schalter zugeführt, gleichzeitig wird der fliessende Strom gemessen und auf Überstrom getestet.
Der PWM Schalter ist ein p-Kanal MOSFET mit sehr geringem RdsON und daher sehr geringer Verlustleistung.
Dieser Schalter wird ebenfalls vom Controller gesteuert und macht die PWM für die Motorsteuerung (80Hz, 250 Hz und 20kHz)

Es hat sich herausgestellt, das sowohl ältere (1970er) als auch neuere Loks sehr unruhig sind, egal wie hoch die PWM Frequenz ist.
Deshalb ist der MOSFET gesteuerte PWM Teil entfernt worden. Die Ausgangsspannung/Kurvenform wird nur noch mit dem Buck Regler eingestellt.
( Da sich der FET nun bei kleinen Spannungen nicht mehr richtig einschalten lässt)

Es gibt nun insgesamt 7 verschiedene Betriebsmodi:

Es existieren 7 Kennlinien mit jeweils 27 Stufen.
Bei Modi mit PWM Anteil wird dieser bis Stufe 16 hinzugefügt, danach ist das Ausgangssignal reines DC.

Kennlinie1:       DC, normale Steigung
Kennlinie2:      DC, langsame Steigung
Kennlinie3-6:   PWM + DC
Kennlinie 7:    nur PWM

Nummer	Modus	Vpk/Vdc	T/f	Tr	Tf
1	DC	-	-	-	-
2	DC	-	-	-	-
3	PWM-1	1,5 / 1	125 Hz	666µs per dV=60mV	333µs per dV=60mV
4	PWM-2	Vpk = fixed 7,5V	62,5 Hz	666µs per dV=60mV	333µs per dV=60mV
5	PWM-3	2 / 1	62,5 Hz	666µs per dV=60mV	333µs per dV=60mV
6	PWM-4	3 / 1	var.	666µs per dV=60mV	333µs per dV=60mV
7	PWM-5	Vpk=7,5V/Vdc=0V	125 Hz	-	-

Hier der Zeitverlauf als Diagramm:

oder als PDF hier

Dazu die passenden Kennlinien:
(angegeben sind die Effektivwerte)

Für jede Lokomotive kann nun mit dem richtigen Modus eine sehr gute Steuerung und ein gleichmässiger Lauf erreicht werden.
Auch das Anfahrverhalten kann als sehr gut beschrieben werden.

Dieses Signal wird nun durch Relais in der Richtung umgeschaltet, eine echte OFF Schaltung ist ebenfalls realisiert.
(OFF heisst hier, das es KEINE Verbindung des Ausgangs mit der Schaltung mehr gibt)

Der Controller besitzt einen Eingang für ein Poti zur Geschwindigkeitseinstellung, desweiteren zwei Ein/Ausgänge für die Relais bzw. die Schalter für Richtung und AN/AUS.
Diese Relais können entweder direkt vom Controller gesteuert werden, oder die Schalter steuern die Relais und der Controller liest die Schalterstellung aus.

Desweiteren existiert noch eine I2C-Schnittstelle, damit der Controller an Zentralen o.ä. angeschlossen werden kann.

Betriebsmodi:

- Manuell:            Der Benutzer stellt mit dem Poti und den Schaltern Geschwindigkeit, Richtung und EIN/AUS ein.
                            Ausgangsspannung, Frequenzund Modi können nicht gesetzt werden.
                            Es werden die Defaultwerte bzw. die gerade eingestellten Werte benutzt.

- Remote(aktiv):    über I2C werden Geschwindigkeit, Richtung und EIN/AUS eingestellt. Poti und Schalter sind funktionslos.
                            Ausgangsspannung, Frequenz, Tastverhältnis und Modi können gesetzt werden.

- Remote(passiv):  Der Benutzer stellt mit dem Poti und den Schaltern Geschwindigkeit, Richtung und EIN/AUS ein.
                            Über I2C können Geschwindigkeit, Richtung und EIN/AUS ausgelesen aber nicht verändert werden.
                            Ausgangsspannung, Frequenz und Modi können über I2C gesetzt werden.

- Debug:                Wenn einer der beiden I2C Pullups entfernt wird, so kann man durch SDA=LO den "Schaltermodus" einstellen.
                            Es kann dann mit einem Stufenschalter die Modi ausgewählt werden.

Links, Auszüge und Kopien:

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Downloads:

Software (zip Archiv)
Schaltplan als PDF

Beide Downloads in der Versionen 2013-10

Nachbau:

Der Nachbau für Privat, Vereine und zu Schulungszwecken ist ausdrücklich gestattet und erwünscht.
Ich erbitte Rückmeldung, auch wenn alles funktioniert :-)
Der Nachbau, die Nutzung der Software oder Teile davon, ist für kommerzielle Zwecke (auch als Bausatz) nur mit schriftlicher Genehmigung erlaubt.
Zu kommerziellen Zwecken gehört auch der Betrieb/Benutzung im gewerblichen Umfeld.
[
z.B. auf Veranstaltungen, auf Messen, wenn der Nutzer mit dem Messestand Geld erwirtschaften möchte,
zu innerbetrieblichen Test- und Schulungszwecken oder auf Schauanlagen gewerblicher Anbieter.
Beispiele:
- ein Verein möchte eine Schauanlage betreiben oder Seminare veranstalten -> Schaltung und Software können gerne genutzt werden.
- eine Firma möchte eine Schauanlage betreiben oder Seminare veranstalten und damit Gewinn erwirtschaften -> keine Nutzungsrechte ohne Genehmigung !
- ein Einzelhändler betreibt in seinem Geschäft oder auf einer Veranstaltung eine Schauanlage -> Schaltung und Software können gerne genutzt werden.
- ein Einzelhändler verkauft diese Hard/Software -> keine Nutzungsrechte ohne Genehmigung !
- ein Hersteller von Modellbahnartikeln betreibt diese Hard- und/oder Software in seinem Geschäft, seinem Betrieb oder auf einer Veranstaltung -> keine Nutzungsrechte ohne Genehmigung !
]

Hinweis:
Diese Schaltung benutzt einen AVR Mikrocontroller. Dieser muss vor der Verwendung programmiert werden !
Einen Programmierservice kann ich leider nicht anbieten, es gibt aber genug günstige Programmer oder hilfsbereite Modellbahnfreunde die das können.

Die Software ist für den AVR-GCC 4.xx geschrieben, das makefile ist im Paket. Es wurde bewusst nicht das AVR-Studio 5.x und grösser genutzt !
Ein entsprechendes Projectfile existiert nicht. Wenn es jemand anlegt, dann bitte melden, damit ich es hier hosten kann.

Wenn diese Schaltung genutzt werden soll ohne Schnittstelle (nur manuell) sind nur grundlegende Kenntnisse und Löterfahrung nötig.
Wenn diese Schaltung genutzt werden soll mit Schnittstelle sind Kenntnisse des AVR und der Umgang mit den Tools nötig.
Desweiteren muss dann am I2C Bus ein programmierbares Device angeschlossen sein. Alle gängigen Zenralen und anderen Fertiggeräte werden nicht auf Anhieb funktionieren
und sind wahrscheinlich nur bedingt kompatibel.
Hat meine keine selbstprogrammierte Zentrale, so könnte man sein Glück mit USB <-> I2C Wandlern versuchen (von FTDI, Beispiele im Netz)
Desweiteren kann man natürlich auch seine eigene Steuerung bauen. Wie der I2C Master implementiert werden muss, kann man an meinem Zentralen-Projekt erkennen.

Das Protokoll der I2C Schnittstelle kann in der Doku gefunden werden.

Zur Fehlersuche sollte ein Oszilloskop und ein Multimeter greifbar sein.

Der Autor übernimmt keine Gewähr für Hardware, Software oder angeschlossene Geräte !