• » Abkürzungen
  • » Kontakt
  • » Datenschutz
  • » Impressum
  • » English French German Italian

SaMoba PWM-Fahrregler

Im Jahr 2012:
Meine alten Fahrregler in der SaMoBa-Steuerung, die reine D/A-Wandler waren, sind in-die-Jahre gekommen.
Dank meines Konzepts mit der PC-gesteuerten Z-Schaltung ist es möglich, jedes beliebige PC-gesteuerte Analog-Fahrpult als Fahrregler zu benutzen, also auch PWM-Regler.

Das PWM-Konzept

Das Konzept beruht auf einer Überlagerung einer reinen Gleichspannung und einer PWM-Spannung.

Die PWM Spannung wird eingestellt mit
- Frequenz: wird über das Interface mit dem PC eingestellt ( 4 Werte sind möglich)
- Amplitude: wird über den Parameter "Impulshöhe" vom PC eingestellt (4 Werte möglich)

Die DC-Gleichspannung wird in 64 Stufen von 0 bis 63 vom PC vorgegeben.

Die Ausgangsstufe des PWM-Reglers ist so kalibriert, dass die Zahl 63 einer Fahrspannung von 20V entspricht. 20V erscheint für Spur-N zunächst unnötig hoch. Bei mir gehen bis zum Gleis aber in den nachgeschalteten Schaltungen (Z-Schaltung und Block-Leistungsstufen) etwa 3 Volt "verloren", sodass am Gleis etwa max 16-17 V liegen.

Die Überlagerung der beiden Spannungen erfolgt so:
  • zunächst wird bei Null beginnend bis zu 100% Pulsweite ausgesteuert, 
  • ist die vorgegebene Gleichspannung höher als 100% PWM-Spannung, dann wird mit reiner Gleichspannung ohne zu pulsen weiter hochgeregelt.
Durch dieses Vorgehen können Gleichstrommotoren geschont werden.
Die PWM-Pulse werden nur kurzzeitig zum Anfahren und Langsamfahren benutzt, im Streckenfahrbetrieb wirkt aber nur die schonendere reine Gleichspannung.

Die Schaltung

Der Gesamtschaltplan des PWM-Reglers zeigt dieses Bild.
schaltplan

Das zentrale Bauteil ist der PIC Microcontroller, ein Typ 16F870. Das Programm hab ich geschrieben in Assembler mit der MATLAB IDE von Microchip. Als Brenner benutze ich das PICKit2 von Microchip und den P8076 von Vellemann.

Eine virtuelle 3D-Ansicht, wie mein Layout-Programm Target3001 es zeigt:
2 Regler auf einer Platine

PWM-Platine - klick vergrößert


Die Pinbelegung des PIC:
PIC-Pins
An den Ports RA0 - RA3, und RC0, RC1 kann ein LCD-Display für Testzwecke angeschlossen werden.

Interfaces zu meiner Anlagensteuerung im PC:
Es werden 10 diskrete parallele Digitalsignale eingelesen:
  • 6 Bits für die Fahrgeschwindigkeit an Pins RB2 - RB7 --> damit sind 64 Fahrstufen möglich
  • 2 Bits für die PWM Frequenz an Pins RC6,7    --> damit sind 4 Frequenzen möglich 20, 40, 60 und 80Hz
  • 2 Bits für die Impulshöhe an Pins RC4,5         --> damit sind 4 Impulshöhen möglich 5, 10, 15 und 20V

Interface zum Handregler:
  • 1 Analogsignal vom Handregler-Poti
Im PIC-Programm wird der kleinere Wert aus den beiden Fahrspannungen (eine vom PC und die andere vom Handfahrpoti) ausgewählt und als Fahrspannung für die PWM-Steuerung genommen.
Damit ist eine Handsteuerung der Loks mit unterlagerter PC-Blocksteuerung möglich....also ein sicherer Betrieb trotz Handsteuerung der Lokgeschwindigkeit.

Das PWM-Signal wird über 2 PIC-Ausgänge gebildet:
  1. ein hochfrequentes PWM-Signal, das über das im PIC vorhandene PWM-Modul generiert wird. Dieses Signal wird über einen RC-Tiefpass mit R1 und C1 geglättet, um den Faktor 4 mit einem Operationsverstärker verstärkt (der PIC gibt nur 5V als max. Spannung aus, die auf 20V verstärkt wird) und dem Steuertransistor T1 am Collector zugeführt ... dieses PWM-Signal bildet also die Amplitude des Ausgangssignals
  2. ein niederfrequentes Signal, das von dem PIC-Programm moduliert wird (Frequenzen 20 - 80 Hz) und der Basis des Steuertransistors T1 zugeführt wird; dieses Signal moduliert also die On/Off Phasen des Ausgangssignals.
  3. der Darlington-Transistor T2, als Emitterfolger geschaltet, ist die Ausgangs/Trennstufe. Bei meiner Steuerung braucht er keinen  Kühlkörper, weil die eigentlichen Leistungsstufen die nachgeschalteten Blockverstärker sind.

Der Einbau in die Anlage

Diese PWM Fahrpulte liegen vor mir:
  • 4 PWM Fahrspannungsgeneratoren PWM-PC, die vom PC gesteuert werden (einstellbar sind: Fahrspannung, PWM Frequenz, Impulshöhe)
  • 1 Fahrregler PMW-R, der als Stand-alone Fahrpult für reine Handsteuerung ausgelegt ist, den ich aber ohne Änderungen in meine Steuerung als Hand-Regler für Rangierfahrten einbauen möchte

Hier 2 Bilder, links der PMW-R, rechts die 4 PWM-PC

  • pwm system220klein
  • PWM1

Der Adapter

Da der Einbau der neuen Fahrspannungsgeneratoren ein größerer Eingriff in meine schon gut funktionierende Steuerung ist, hatte ich mir folgendes Konzept für die Übergangszeit ausgedacht:

  1. alle alten Fahrspannungsgeneratoren mit ihren PC-Interfacen bleiben vorerst in Betrieb und
  2. die neuen Fahrspannungsgeneratoren werden zusätzlich eingebaut,
  3. über eine neue Verteiler/Adapter-Platine wird durch Stecken eines Programmiersteckers auf 2 verschiedene Stiftleisten die Steuerung schnell und einfach zwischen den beiden Varianten Neu und Alt umgeschaltet. Somit bleibt die Anlage während der Umprogrammierung betriebsbereit .... schließlich muß auch unangemeldeter Besuch etwas Fahrendes sehen können
  4. wenn dann mal der PWM Einbau fertig ist und die Steuerprogramme umprogrammiert sind, werde ich den Adapter in der Anlage belassen, der Programmierstecker steckt auf "PWM-Platz" und ich könnte die alten Gleichspannungsgeneratoren entfernen.
Im Prinzip sieht das so aus:

Verteiler_Schema     Adapter

                                Schema                                                                        Schaltung

  1. ein Programmierstecker verbindet entweder (in der grünen Position) die alten Fahrspannungsgeneratoren mit der Anlage oder (in der blauen Position) die neuen PWM-Generatoren. Dieser Stecker setzt 13  Steckbrücken auf doppelpfostigen Stftleisten.
  2. es kommt ein neues "Rangierrelais" hinzu. Mit diesem kann zum Rangieren der handgesteuerte PWM-R Fahrregler aufgeschaltet werden, er ersetzt im Rangiermodus einfach eines der PC-gesteuerten PWM-PC Regler ... hier hat sich wieder bewährt, dass bei einem Steuerprinzip, das auf einer Z-Schaltung beruht, ganz leicht Fahrpulte ersetzt werden können
  3. auch die Schnittstelle zum Streckenfahrt-Handregler (was ist das, schau hier) muß adaptiert werden, weil die 4 Regelpotis in einem Fall (alt) mit 20Volt arbeiten und im anderen (neuen) Fall mit 5Volt (wegen der 5V Begrenzung der PIC Eingangsspannungen an seinen A/D Eingängen); auch dies wird über den Programmierstecker umgeschaltet.

Der Stecker

Die Programmkierung mit den beiden Steckplätzen ist so ausgeführt, dass Leiterbrücken durch den Stecker überbrückt bzw. entfernt werden.

Den Stecker mit den Leiterbrücken hab ich mir selbst gebastelt aus einem Flachband-Pfostenstecker, auf den ich 2 Reihen IC-Sockelleisten (verbunden mit den Leiterbrücken) gesetzt habe....ist zwar ein Provisorium, aber bekanntlich halten die ja am längsten   ;-))
  • Adapter stecker0
  • Adapter stecker1
  • Adapter stecker00
  • Adapter stecker4

Die 2 Platinen mit den 4 PWM-Schaltungen (senkrecht montiert) und die Adapterplatine (flach liegend) sind eingebaut und ich kann sie testen. Dazu stecke ich das LCD-Display an und stelle einige Testloks auf den Rollenprüfstand.
  • IMG 1406
  • IMG 1409
  • IMG 1408
  • IMG 1413

Die Platinen sind eingebaut und funktionieren

Die beiden PWM Platinen mit den 4 PWM-Spannungsgeneratoren und der Adapter sind eingebaut und alle Schittstellen getestet .. jetzt müßte nur noch die PC-Steuerung entsprechend umprogrammiert werden.
  • DSC00005
  • DSC00009

Änderungen in den Steuerungs-Programmen

Ich verbinde die Fahrpulte über 2 zusätzliche / neue Output-Karten mit dem PC,
und im Steuerprogramm werden für die Loks die neuen PWM-Parameter in die Dialogfenster eingebaut.
  • karten-pwm1
  • dialog-pwm4

Es ist geschafft

Es scheint alles zu funktionieren und die Fahreigenschaften sind, wie sie sich ein Analogfahrer nur wünschen könnte.

Über die PC-Steuerung sind nun folgende Parameter für jede Lok spezifisch einstellbar:
  • die maximale Fahrspannung
  • die minimale Fahrspannung (auf diese Spannung wird bei Annährung an ein Hp0-Signal heruntergeregelt)
  • in Bahnhofsbereichen wird generell als maximale Fahrspannung der Mittelwert aus max und min Fahrspannung eingestellt
  • Trägheiten für Bremsen und Beschleunigen
  • die PWM-Frequenz (24, 48, 70 und 80 Hz)
  • die PWM-Impulshöhe (oberhalb der 100% Aussteuerung wird mit reiner Gleichspannung weitergeregelt)

weitere Beschreibung siehe im Moba-Blog .... hier

Videos

Diese Videos zeigen PWM-Spannungsverläufe meines Reglers und Langsamfahrten mit den jetzt eingebauten PWM-Fahrreglern für Streckenfahrt.

Diese beiden Videos verdeutlichen das Prinzip, wie DC und PWM überlagert werden.

2 Beispiele
  • oben, die Ausgangsspannung (=Gleisspannung) ohne Lokmotor
  • unten, mit Lokmotor als Last .... deutlich ist in den PWM-Nullphasen die Motor EMK Spannung zu sehen, wie sie sich propotional mit der Motordrehzahl ändert. Bekanntlich messen die modernen Lokdecoder für die Lastregelung diese EMK Spannung und regeln sie.

Videoclip1 ohne Motor



Videoclip2 mit Motor







Dieses Video zeigt die ersten Fahrerlebnisse mit dem neuen Fahrregler

Videoclip3 - V200



Die PWM-Frequenz ist in diesem Filmchen 24Hz, das "Nageln" ist hörbar. Im Streckenbetrieb geht die PWM-Spannung aber nach der Beschleunigungsphase in reine Gleichspannung über, und schaltet sich erst wieder ein bei niederen Spannungen beim Abbremsen vor Signalen.
Im Rangierbetrieb kann dauerhaft mit PWM gefahren werden mit einstellbarerer Impulshöhe.

erste Betriebserfahrungen

Im Normalbetrieb funktioniert alles sehr zufriedenstellend.

Allerdings muß ich das Konzept für die Nothalt-Taste ändern.
zZ bewirkt der Nothalt, dass die "Handregler"-Spannung am Analogeingang des PIC auf Null gezogen wird. Der Nothalt funktioniert also nur, wenn der PIC im Notfall nicht "abgestürzt" ist, also selber der Grund für den Notfall ist.
Die Taste, so wie sie jetzt vor dem PIC sitzt, hat den Vorteil, dass im Nothalt die Fahrspannung wie im Fahrbetrieb langsam und nicht abrupt runtergeregelt wird, was zusätzliche Entgleisungen vermeidet.

Ich muß die Notfall-Spannungsabschaltung also hinter und nicht vor die PICs legen ... in das Netzteil für die Spannungsversorgung der Blockverstärker.
Da gehört die Notabschaltung hin und dort fehlt sowieso noch eine elektronische Kurzschlußsicherung, die ich dann auch mit einem Nothalt-Taster auslösen könnte....eine Bremsverzögerung ließe sich da auch noch einbauen.