2009年12月30日水曜日

鉄道模型で遊んでみる「EF210が阪急6300系を牽引する!」

 とりあえず、思いつきで、EF210が阪急6300系を回送牽引する。という情景を再現してみた。そんな情景は無いと思うが(笑)



出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.5AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.3Aで遮断)

使用車両:TOMIX製 EF210 100番台 KATO製 阪急6300系
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

EF210のVVVF音を鉄道模型で再現する(自作PWM&VVVFパワーパック)

 タイトルの通り、EF210のVVVF音を鉄道模型で再現してみる。特徴は一定周波数で発進し、加速と共に周波数が上昇し、また一定になるというもの。やはりTOMIXのモータは音がこもって大きな音が出ない。ちょっと耳をすまして聞いて欲しい。



出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.5AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.3Aで遮断)

使用車両:TOMIX製 EF210 100番台
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

209系・E217系のVVVF音を鉄道模型で再現する(阪急6300系ver)

 富山ライトレールで実験をした以前の記事から、多少の調整を行ない。ここで、KATOの阪急6300系を使用して走行実験を行なった。今回は常時点灯機能を追加した自作のPWM&VVVFパワパックを使用して、停止中でもヘッドライトを点灯可能にしている。


ちょっと加速が速すぎたが、停止は成功したかな、、、。

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.5AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.3Aで遮断)

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット+増結セット)
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

自作PWM&VVVFパワーパックの常時点灯機能を確認する

 PWM&VVVFコントローラver0.9には多くの車両に対してヘッドランプやテールランプ、室内灯を常時点灯させるための機能が付いている。参考にしたのはTOMIXの常時点灯機能で、これは人には聞こえないほどの高周波(約37kHz)のPWM信号を出力し、モータが動きださない程度のデューティ比を与える事により、LEDやランプに対し電力を供給するものである。単純にそれに近い機能を搭載し、さらに、鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)に自作のライトユニットを取り付け、常時点灯機能を確認する。



 基板は小型化し、部品は全てチップ(表面実装)部品を使っている。動力ユニットの先頭部分に簡単に挟める部分があるので、ネジをちょっと緩め、リード線を直接挟み込んでいる。使用しているのはヘッドライトに青色LED、テールランプに赤色LEDを採用している。

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.5AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.3Aで遮断)

使用車両:鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

阪急8000系のVVVF音を鉄道模型で再現する(自作PWM&VVVFパワーパック)

 やっと、ここで阪急のVVVF音を再現する。せっかく阪急の6300系の模型を持っているので、最初から再現しておけば良いのだが、なんせ乗った事が無いので、なんとなく気が引ける(汗)。とりあえず、再現したものの、さえない音になってしまった。本当にこんな音が鳴っているのかどうか?

 今回制作したのは以前に紹介したコントローラ(PWM&VVVFパワーパックver0.9)の改良版で、物理的な回路の修正及びプログラムの大幅な改良を加え、新たに常時点灯機能を搭載した。前回紹介した209系・E217系VVVF音の再現でも使用している。このコントローラは最大7種類のVVVF音を選択できる。では、実際の動きと音を見てみる。

 
出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.5AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.3Aで遮断)

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内二両のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年12月25日金曜日

209系・E217系のVVVF音を鉄道模型で再現する(プログラム修正ver)

 以前E217系のVVVF音を再現してみたが、色々指摘を頂き、まだまだ完成にはほど遠い。今回新たな回路とプログラムにより、より発進と停止時の安定性、滑らかさを追求した。

 使用しているのは鉄道コレクション「富山ライトレール」用の動力ユニットであるが、これが一番大きな音が鳴る。モータの特性と言うか相性と言うか、よく分からないが、とりあえず実験ということで
今回は特に停止時の動きと音にこだわった。出力周波数が高い場合はPWMのデューティ比をある程度まで上げないとモータが動きださない。その結果、音は鳴っているのに動き出さない、さらに停止しても音が鳴るという現象が起きてしまう。そこで、動力用の信号と音を発生させるための信号を供給することで高い周波数でも滑らかな発進や停止を行なうことができる。

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御方式:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.0AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.0Aで遮断)

使用車両:鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)
使用線路:TOMIX製 ファイントラック線路ミニカーブレール(Nゲージ)

2009年12月22日火曜日

Bトレインショーティを自作鉄道模型コントローラで走らせる

 前回の記事で紹介したコントローラでバンダイのBトレインショーティを動かしてみる。問題点は色々ある。まず、動力ユニットだがKATO製のBトレ用のユニットを使用するが、小さくて軽い(当然だが)。このまま、走行させると、連結した時に空回りを起こして進んでくれない。そこで、おもりを載せる事は必須であろう。
 また、VVVF音もモータが小さい分、小さくなってしまった。しかし、よくよく耳をすまして聞くとしっかりと「京急新1000形」のドレミファインバータで走り出す。



出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御「京急ドレミファインバータを再現」)
使用電源:12V1.0AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.0Aで遮断)

使用車両:バンダイ製Bトレインショーティ阪急電鉄6000系、KATO社製動力ユニット使用
使用線路:TOMIX製 ファイントラック線路ミニカーブレール(Nゲージ)

京浜急行仕様自作PWM制御式鉄道模型用VVVFコントローラ「京急新1000形特化バージョン」

 以前制作した「京急新1000形仕様」のコントローラから機能を洗練させ、さらに性能を向上させた特化バージョンを作ってみた。外観や基本システムは前回のver1.1と同様であるが、プログラムの改良とより使い易くより安くをコンセプトに再設計を行い、マイナーチェンジしている。


基本的な機能は、3つの動作モードとつまみによる出力制御、あとは調整である。動作モードは
①ドレミファインバータモード
②疑似サイリスタチョッパ制御モード
③常時点灯用モード
で、①はその名の通り、発車時に音階を奏でながら走行する。また、モータによって始動するときの出力が異なるため、調整用のつまみで音と始動を合わせる事が出来る。②は50〜1000Hzまでの範囲で任意に周波数を固定し走行出来るモードで、300〜600Hzではモータの励磁音も大きく、実際の電車が走るような音となっている。③は常時点灯機能を擬似的に実現している。調整用つまみにて、出力を0〜16%まで調整することにより、始動前にヘッドライトに電力を供給している。実際には8kHzの周波数で出力を行なっている。

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御「京急ドレミファインバータを再現」)
使用電源:12V1.0AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.0Aで遮断)

使用車両:トミックス製箱根登山鉄道1000形ベルニナ号(旧塗装)
使用線路:TOMIX製 ファイントラック線路ミニカーブレール(Nゲージ)

2009年12月16日水曜日

南海電鉄仕様の鉄道模型用自作PWM制御式VVVFコントローラの製作

 タイトルの通り、南海電鉄の特徴のあるVVVF音の再現できる鉄道模型用のコントローラを試作してみた。実際に乗った事が無いので、正確に再現は出来ないが、このようなもので、ファンの方々は満足していただけるのか?(笑)。さらなる改良が必要だと感じる、、、、(汗)

とりあえず、再現したのは南海1000系、南海2000系、南海50000系(ラピート)である。特徴は発進時に周波数が変化せず、一定時間鳴った後に変調音が聞こえてくる。



出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.0AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.0Aで遮断)

使用車両:鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)
使用線路:TOMIX製 ファイントラック線路ミニカーブレール(Nゲージ)

2009年12月14日月曜日

鉄道模型用(Nゲージ)PWM&VVVF制御コントローラ(ver1.1)の紹介

 マイコンを使用し、PWM制御でモータを駆動させる鉄道模型用の自作コントローラに擬似的なVVVインバータ制御を取り入れ、鉄道模型のモータ自体から励磁音(変調音)を発生させる。特に今回は低価格、簡潔、コンパクトをテーマにver1.1を製作してみた。ここで機能を紹介する。


VVVFインバータ制御再現機能


調整機能


疑似常時点灯機能


出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega168P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
使用電源:12V1.0AスイッチングACアダプタ
保護回路:アダプタによる過電流遮断及びポリスイッチによる過電流遮断(1.0Aで遮断)

使用車両:鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)、トミックス社製箱根登山鉄道1000形ベルニナ号(旧塗装)
使用線路:TOMIX製 ファイントラック線路ミニカーブレール(Nゲージ)

2009年12月11日金曜日

ATS-P(自動列車停止装置)を鉄道模型(Nゲージ)で再現してみる

 ATS導入実験の記事では旧式のATSであったので、運転手がブレーキ操作と確認ボタンを押すという順当な手段をとった以降は停止させる為の安全装置は作動しなくなる。それでは、やはり車止めに衝突してしまうかもしれないので、それは鉄道模型であっても避けたいところだ。
 そこで、ATS-Pの導入を検討してみる。色々調べると、種類がありすぎて、またよく分からなかったので、とりあえず、主要な機能をまとめてみた。
①各センサ上を一定出力以上で通過した場合は非常ブレーキが作動する。
②各センサ上を通過した時の出力に応じて段階的にブレーキが自動で作動する。
③自動ブレーキ作動中でも手動でのブレーキ操作が可能、ただし、より強いブレーキに限る。
④停車位置はどんな出力で入線した場合でも一定にする。
以上の当たり前の様な動作をするATS-P?を作ってみた。


どうもATS、ATC、ATOの内容が複雑でよく分からないが、とりあえず、自動運転に向けたプログラムは簡単に出来そうである。

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega164P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)
センサ:フォトトランジスタを使用した光学式

使用車両:鉄道コレクション「富山ライトレール(青)」(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年12月7日月曜日

富山ライトレール(鉄コレ)をVVVFで走らせてみる

今まで制作してきたVVVF音を再現するコントローラは、発進時や停止時に於ける動きと音の関係が安定しなかった。これは実際にVVVFインバータ制御を行っている訳ではないので、鉄道模型ではどうしても解決できない問題であったが、再現するためにはそうも言ってられない。そこで、考えたのが、VVVF音を再現する為の周波数とモータを駆動させる為の出力を合成するということである。とくに小型のモータでは加速が速過ぎて、低速の安定性も無い為、音と動きの両立は難しかったが、新しい制御方式により少しは完成に近づいたような気がする。


しかし、ここで新たな弊害も生まれてしまった。合成波にすることによって、音に濁り(厳密に言えばうなり)が発生し、綺麗な音が出なくなってしまった。しかし、モータを駆動させるのに綺麗な音というのもおかしい話なので、それは良しとする(笑)

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega164P
制御信号:PWM制御(疑似VVVFインバータ制御)

使用車両:鉄道コレクション 富山ライトレール(トミーテック(TOMYTEC)製動力ユニット使用)
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年12月2日水曜日

201系のサイリスタチョッパ音を鉄道模型で再現する

 今まで、VVVFインバータ音の再現を行なってきたが、ここで、少し時代を逆戻りして、201系のサイリスタチョッパ音を再現してみる。結果はあんまり満足していないが、これだけの音が鳴るのはモータが良いのか悪いのか?(笑)



昔の電車は結構うるさかったんだなと思う

出力回路:Power MOS-FET
制御回路:AVR Mega164P
制御信号:PWM制御

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年11月26日木曜日

新幹線型コントローラ!?(ワンハンドル×2)

 新幹線の運転台は右がマスコン、左がブレーキとなっていて在来線や私鉄とは逆の配置になっている。何でもブレーキはATCがあるため、基本的な操作はマスコンで行なうということで、右についているらしい。そこで、作ってみようかと思ったが、電車でGO!の新幹線型のコントローラは値段が高い上に、USBで接続するタイプなので解析が難しく、少し小さい。そこで、ワンハンドルタイプを横に並べれば縦型の2ハンドルになるので(笑)、それで実験してみた。
何とも言えない配置(汗)

video
走行実験はしていなが、ブレーキとマスコンの確認を行なった。画面上にBとMで番号を表示させている。

2009年11月17日火曜日

鉄道模型用ATS(自動列車停止装置)の実験「S形(地上子形)」

 いくら鉄道模型であっても、車止めに衝突したり、ポイントに誤進入したり、停止車両に衝突するのはあまりスマートとは言えない(汗)。そこで、初歩的なATS(自動列車停止装置)を導入してみる。導入するのはS形(地上子形)でセンサは光学センサを用いる。さらに独特のATSチャイム音やブザーを取り入れる。しかし、最近見なくなったというか乗らなくなったので、今もこんなATSがあるのだろうか?(笑)


京都駅の嵯峨野線ホームは終点で車止めがあるので、よくこんな感じでホームに進入していた記憶がある。先頭車両にのるといつも変な音(チャイム?)が聞こえて気になっていた(笑)

実験機材
CPU:Atmel AVR MEGA164P
Output:PowerMOS-FET

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年11月14日土曜日

運転の難しいコントローラ「DU202改造版」(自動空気ブレーキ仕様)

 改造したDU202を使用した走行実験を行なってみる。前回の記事のように単純な制動量をハンドルにて決定するブレーキではなく、圧力の調整によるブレーキシステムを試してみる。今回は「自動空気ブレーキ」である。機関車に多いシステムであるが、今回は電車運転用にしてみる。

まずは、動作原理から

それでは実際の運転を再現すると

使用コントローラ:TOMIX社製TCS Power Unit N-DU202-CL(PWM制御式に改造)
使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年11月13日金曜日

またまた直通ブレーキの実験(DU202改造コントローラ使用)

 前回の記事に書いた通り、TOMIX社製の運転台型コントローラであるTCS Power Unit N-DU202-CLをマイコンを使用したPWM制御のコントローラに改造し、その計器をブレーキの圧力計に使用できることを紹介した。そこで、今回は路面電車や旧型電車に採用されていた直通ブレーキ(SM)を再現してみる。今回、電流計はブレーキの直通管圧力計となっている。

 具体的には、動画を見てもらうと一番分かり易い。電流計の値は圧力の値を示していて、圧力が上がれば、ブレーキがよりかかる。その調整方法が、ブレーキハンドルによる圧力の減圧、保持、加圧で行なう。また、圧力の増加や減少に時間がかかるため、制動に遅れが生じる。このブレーキの特性を考慮しないと運転が非常に難しい。

使用コントローラ:DU202改造コントローラ
使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

DU202の電流計を活用する(電流・周波数・ブレーキ圧力表示)

 改造したDU202の電流計をディジタル制御で駆動させてみる。これによって電流計だけではなく、他の表示にも流用できる。特に、VVVFインバータ制御を行なう場合には周波数の表示やブレーキにこだわる場合はブレーキの圧力計にもなる。スイッチ一つで切替可能となっている。

 まずは、通常の電流計、実際に走らせていないので、動かないが(汗)。次に、ブレーキの圧力計に設定すると、ブレーキハンドルの動きに合わせて圧力計が変化する。変化の仕方が滑らかなのは、P制御を用いてメータを駆動しているためで、実車の様に滑らかな圧力上昇を再現している。さらに、周波数表示用は周波数調整つまみを回すとそれに応じて変化する。

2009年11月11日水曜日

TCS Power Unit N-DU202-CLの改造(VVVFインバータ制御化)

  前回の記事で紹介した通りTOMIXの運転台型コントローラDU202を改造してPWMコントローラ化したが、さらに、VVVFインバータ制御を組み込んでみる。もちろん、鉄道模型(Nゲージ)の動力ユニットに用いられているモータは直流(DC)モータなので、実車のように交流(AC)モータを駆動させるシステムは使わない(汗)。擬似的に再現するため、PWM制御の出力周波数を変更して、鉄道模型のモータからVVVF音を出してみる。今までの実験コントローラの開発である程度のプログラムは完成しているので、それを応用して組み込んでみる。

 まずは、JR東日本のE217系やJRに多いVVVF音の再現。特徴は加速に応じて周波数が上昇するが、一定のサイクルで低い周波数から高い周波数への変化を繰り返している。実際に聞いた事は無いが、一般的なVVVF音かな?

 次に、京急ファンにはたまらない新1000形に用いられている通称「ドレミファインバータ」その名の通り、音階に応じた周波数で発進して行く

 さらに京都市営地下鉄の東西線を走る50系のVVVF音、加速と同時に周波数も上昇するが、周波数が一定で加速する期間がある

 最後に、新幹線のVVVF音を再現する。最近、乗車した事が無いので、記憶が無いが、とりあえず、300系のVVVF音を再現してみる。加速に応じて周波数が上昇し、低周波から高周波の変化を繰り返すが、E217系に比べ、そのスパンが長い



 改造したコントローラでは周波数を一定にして走行する(疑似サイリスタチョッパ制御(400Hz~800Hz)の範囲)と、4つのVVVFインバータ制御によりモータを駆動させる事ができる。ただし、動力ユニットはやはりKATO製に限る(笑)

2009年11月9日月曜日

自作鉄道模型コントローラ「京急新1000形仕様」

 タイトルの通り、京急の新1000形に用いられている通称「ドレミファインバータ」を自作の鉄道模型コントローラでVVVFインバータ制御を用いて再現してみた。

 操作方法は二種類でボリュームによる出力直接制御、ロータリースイッチによるワンハンドル操作(力行5段階、惰行、常用制動5段階、非常制動)が可能となっている。さらに背面には周波数調整用つまみがあり、0に設定すると自動的にドレミファインバータでの駆動となる。また、ディレクション(方向転換スイッチ)や動作切替スイッチを搭載し、コンパクトなコントローラとなっている。

では、実際の動作をみてみる。上手くボリュームコントローラを操作すると、実車に近い音が再現できる。

仕様詳細
MPU:Atmel AVR mega168P
SystemClock:8MHz(内蔵オシレータによる)
Power:外部スイッチングACアダプタによる12V1.5A
出力回路構成:MOS FET
制御アルゴリズム:VVVFインバータ制御
操作部:主電源スイッチ、動作切替スイッチ、方向切替スイッチ、加速率・減速率調整つまみ、周波数調整つまみ、ロータリースイッチ
保護回路:過電流検出による出力遮断、ポリスイッチによる自動遮断・復帰

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年11月6日金曜日

ドレミファインバータの開発

 京急(京浜急行電鉄)の新1000形に搭載されているVVVFは面白い音が鳴るらしい(笑)。実際に聞いた事はないが、動画サイトで多くアップされているのを見るとこれを真似したくなる。そこで、まず、音の解析から

下の方に、段階的に周波数が上昇している様子が見える。そこで、音階で周波数を変えて行く事にする。

「ファソラシ〜」で加速して行く様子は非常に面白い

実験機材
CPU:Atmel AVR MEGA644P
FET:2SK2231

実験方法
可変電圧周波数(VVVFインバータ)制御による

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年11月3日火曜日

TCS Power Unit N-DU202-CLの改造(PWMコントローラ化)

 今回はTOMIX(トミーテック)社製のコントローラであるTCS Power Unit N-DU202-CL(パワーユニット)を分解、改造してマイコンを使用したPWM制御コントローラにしてみる。

<注意!!>
TCS Power Unit N-DU202-CLは家庭用商用電源(AC100V)を使用している製品ですので、内部に高電圧部が存在します。知識や経験の無い方が分解されますと、感電の可能性が非常に高くなります。また、コンセントを抜いた状態でも、内部のコンデンサに電気が蓄えられている事があります。この記事は分解を推奨するものではありません。さらに、この記事に関連して生じたいかなる事故、傷害にその他事象に関して当方は一切の責任を負いませんので、分解・改造は個人の責任の管理の元でお願い致します。また、安易な改造を防ぐ為に、改造に関する詳細な内容は非公開とさせていただきます。ご了承下さい。

 それでは、実際に動かした様子を見てみる。まだ、開発段階でLCDや電流計の動きが上手く行っていませんが、PWMコントローラとして生まれ変わっている。
また、改造によって常時点灯機能が使用できなくなった。しかし、ポイント切り替え用のサイドコネクタやTCSコネクタはそのまま活用できる。また、メータもディジタル制御で使用可能とし、加速や減速用の表示LEDはまた別の用途で使用する。さらに、加速用、常時点灯用の調整つまみはアナログ運転、周波数調整用に切替た。

追加した部品はLCD(液晶ディスプレイ)

サイドにはプッシュスイッチとトグルスイッチ

前面部にもトグルスイッチを追加


仕様詳細
CPU:Atmel AVR mega644P
System clock:20MHz(セラロック使用)
出力回路:Power MOS FET
操作方法:力行4段階、惰行、常用制動4段階、非常制動
表示方法:LCD(8文字×2)、LED4個
補助入力:トグルスイッチ4個、プッシュスイッチ
主要機能:PWMデューティ制御によるモータ駆動、走行中の周波数変更(疑似VVVFインバータ制御)、メータの完全なディジタル制御、電流計は電流表示、周波数表示、ブレーキ圧両区表示に流用可、加速率、減速率の設定及び記録

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年10月31日土曜日

VVVFインバータ制御への挑戦(その2)

 前回の実験から、なめらかに速度を上昇させながら、さらに周波数を上昇させる為に、PWMのデューティ比を出力する前に一つの関数を導入し、周波数と出力で速度を制御する方式をとった。つまり、一定の速度を決定する要素が周波数と出力の組み合わせで、それが何通りも存在するので、その関係を上手く使えば、鉄道模型でもVVVFインバータ制御が可能となる。

それでは、今回の実験結果を見てみると
周波数の切り替わりのタイミングでもスムーズな走行が出来ているが、やはり超低速の発進が出来ていない。まだまだ改良の余地が残っている。

実験機材
CPU:Atmel AVR MEGA644P
FET:2SK2231

実験緒言
PWMデューティ比7.5%~15%
PWM周波数600Hz~3000Hz
可変電圧周波数(VVVFインバータ)制御


使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年10月28日水曜日

VVVFインバータ制御への挑戦(その1)

 鉄道模型用のコントローラが完成をみたところで、本格的にVVVF(可変電圧可変周波数)インバータ制御について考察してみる。実際の電車は交流(AC)モータを駆動させているが、鉄道模型(Nゲージ)用のモータは直流(DC)モータである。よって周波数によってその出力が変化するかどうかはモータの特性による。そこで、電圧出力(PWMデューティ比)と周波数、速度のデータを収集する必要がある。そこで、速度自動計測システムを使用してグラフを作成する。

縦軸はスケール換算した速度(km/h)、横軸は周波数(Hz)、奥行きの軸は出力(%)

 上のグラフから読み取ると、出力の増加=速度の増加、周波数の増加=速度の増加という関係が読み取れる。しかし、これは実験の結果から出力が7.5~12.5%、周波数が600~1300Hzの間に適応できると考える。実際の電車はどうなっているのかも重要な要素である。そこで、VVVFインバータの音を解析してみる。

たしかE217系だったような気がします(笑)。数秒間の間に周波数が倍増し、それを繰り返している様子が分かる。

 
 ここで、問題なのは鉄道模型(Nゲージ)の加速が早すぎるという事である。数秒間の加速で、スケール換算すると一気に300km/hを突破する(笑)。したがって、VVVFの変化時間をスケール換算してしまうと、0.1秒以下になってしまい、聞こえない(汗)。解析にはまだまだ時間がかかりそうだ。

PWM電車運転コントローラ(ver1.00)「電車でGO!コントローラ対応型」

 タイトルの通り、やっと鉄道模型用(Nゲージ)自作コントローラ(制御装置、パワーパック)完成にこぎつけた。今まで試作を重ねてきた上で、多くの機能を搭載し、さらにPS(プレイステーション)用のコントローラ専用版で2ハンドルとワンハンドルの両方に対応する。そして正式な名称として「PWM電車運転コントローラ」として完成版のver1.00をリリースする。デバッグはこれからだか、微調整はマイナーチェンジで対応する。


入力端子:
・miniDIN(7Pin)変換ケーブルを介してPS(プレイステーション)コントローラ用端子(タイトー社製「電車でGO!」用2ハンドル、ワンハンドルタイプに対応)
・DCコネクタ(センタープラス)12V1.5AスイッチンングACアダプタ

操作部:
・電源スイッチ(トグルスイッチ)
・ボリュームコントローラ(可変抵抗)
・方向転換スイッチ(トグルスイッチ)
・動作切替スイッチ(トグルスイッチ)
・発電ブレーキ作動スイッチ(トグルスイッチ)
・非常停止スイッチ(プッシュスイッチ)

出力端子:
・KATO製フィーダーに対応したコネクタ(PWMデューティ制御による0〜12V出力)

表示部:
・LCD(16×2文字表示、白抜き)
・電源灯(緑色LED)
・発電ブレーキ作動灯(赤色LED)

回路構成:
・電源部(ポリスイッチによる過電流遮断回路、三端子レギュレータによるロジック電圧生成)
・制御部(Atmel AVR mega168P、発進周波数8MHz(内蔵オシレータによる))
・出力部(Power MOS FET、フォトカプラを使用したFETドライブ回路)

主要機能:
・「電車でGO!」コントローラにより加速、減速、惰行運転(出力周波数変更可)
・ボリュームによる出力直接制御(出力周波数変更可)
・発電ブレーキの動作や制動量、作動時期の設定可能
・最高出力、最低出力、1〜3ノッチの出力制限が設定可能
・LCDへの表示(デューティ比、周波数、電流、速度、マスコン・ブレーキの位置)
・速度表示(換算用変数により調整可能)
・旧型車両向け制動遅延システム(ブレーキ操作を行なっても実際の制動が一定時間遅れる(0.1〜5.0秒まで調整可能))
・最大8編成分の設定を記憶、呼び出し可能

2009年10月24日土曜日

試作コントローラver0.8(旧0.6)「PSコントローラ仕様」

 タイトルの通り、この試作コントローラはver0.6の改良版でバージョン番号を改めたものである。プレイステーション(PS)の「電車でGO!」コントローラに対応し、さらにモータ出力部にはFETを使用している。様々な機能を追加し、さらなる進化を遂げたコントローラです。

中央にFET(2SK2231)、マイコンはAtmel AVR MEGA168P

背面部に新たに、PSコントローラ接続用の端子を追加
PSコントローラ用の変換ケーブルを製作

運転する時の状態、左のアルミケースが制作したコントローラ

 では、実際に動かしてみる。このコントローラは「電車でGO!」の2ハンドルとワンハンドルタイプのコントローラを両方使用可能で、コネクタを繋ぎ変えればすぐに、使用できます。

・主要機能
マイコンによるディジタル制御(Atmel AVR MEGA168P)
PWM制御による疑似VVVFインバータ制御
アナログダイヤル及び加速、減速ハンドルによる惰行運転制御
発電ブレーキ、回生ブレーキ、空制ブレーキによる制動を再現
各加速率、減速率、最高出力、制動量の調整
デューティ出力、速度、周波数の表示
過電流保護回路(ポリスイッチ)搭載

・主要緒言
電源:スイッチングACアダプタによる直流12V
出力:FETによる出力0〜12V、最大1.0A
操作:2ハンドル(加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ⑦ステップ、非常制動)及びアナログダイヤル。または「電車でGO!」PS(プレイステーション)コントローラに対応
表示:16×2文字表示のLCD及びLED

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年10月22日木曜日

Power MOS-FETで鉄道模型を動かしてみる

 今まで製作してきたコントローラのほとんどは市販のモータドライバICを使用している。これは単純に4つのトランジスターをHブリッジという構成で使用し、正転、逆転、ショートブレーキの動作を実現している。非常に使い易く、また、パッケージも小型で、熱遮断や過電流遮断と言った安全回路も内蔵されている。しかし、トランジスターにも欠点がある。それは電流値が増大すると、トランジスターが抵抗となり、熱となって消費されてしまう。そのため、1A程度の電流が必要な場合には必ず、ヒートシンクを取り付け、放熱には気をつけなければならない。
 一方、世の中にはPower MOS-FETと呼ばれる素子がある。詳細は割愛するが、これはトランジスターに変わる素子で、その大きな特徴は抵抗値が少ないという事である。つまり、ある程度の電流を流しても発熱が少なく、また、効率よくモータを回す事が可能となる。ただし、良い事ばかりではない。もし、FETがショートモードで崩壊した場合、つまるところショートするので、鉄道模型で使用する場合、脱線等によって、レール間がショートすると大電流が流れ、その時にFETが崩壊すると、FETが発火、また周辺回路も焼損してしまう。それを防ぐ為には、過電流保護回路や熱遮断回路は必須で、FETを的確に駆動する事が必要となる。

何はともあれ実験をする。ブレッドボードを使って簡単に回路を作ってモータを動かす

実験結果のグラフ
 上のグラフは横軸がPWMのデューティ比で、縦軸が時速(スケール換算)である。グラフ中の速度域ではFET(菱形のプロット点)がトランジスタ(四角のプロット点)を上回っている。これは抵抗が少ない分、効率よくモータを回している証拠である。37.5%の時、最大1.2倍の速度差があった。

実験機材
CPU:Atmel AVR MEGA644P
Power MOS-FET:SUP85N15
Photo Coupler:TLP250
Power Supply:スイッチングACアダプタ(12V5A)
Photo Senser:TPS816(F),TLN110

実験緒言
PWMデューティ分解能20000段階
PWM周波数50Hz
センサ間隔80mm
2.5%毎に速度を計測

使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

Nゲージ速度自動計測システムの考案

 鉄道模型のNゲージはほとんどの製品が1/150スケールで作られている。ここで、ふと疑問に思うのが、やっぱり走行する速度も1/150になるのか?、と思うのは私だけだろうか(笑)
 ここで、PWM制御においての出力から速度を算出する為に、実際に速度を計測するシステムを構築した。機構としてはセンサは赤外線センサ、マイコンでセンサやモータドライバICを制御し、自動的に速度を計算し、PCへデータを転送する。あとは、表計算ソフトを使って、データを処理すれば簡単に計算できる。

フォトセンサには外乱光に強い、TPS816(F)を使用する。赤外線ダイオードには指向性の強いTLN110を使用して、少しでも精度を上げようとしている(笑)


2つのセンサ間を往復して、計4回の測定を行なう。ちなみに、センサの間隔は80mmである。徐々に、出力を変化させ、連続してデータを収集する。PCへはシリアル通信で転送している。


 上のグラフは実験の結果である。今回使用したのはKATO社製の阪急6300系で、動力車のみで行なっている。出力はモータドライバICであるTA8429HQを使用し、電源はスイッチング(12V5A)となっている。結果として出力から速度を算出するには、近似直線を適当に書くと
速度(km/h) = 6.278×出力(%)-48.997
で得られた。これをコントローラのシステム内で使用すれば、より実車に近い速度表示が可能となる。

2009年10月21日水曜日

運転台型コントローラの製作(その三)

 それでは、2ハンドルタイプの運転台型コントローラの詳細を記述する。外観は写真の通りで、手前に操作部があり、奥にメータ類を配置している。

 実際に走行実験の様子を見てみる。まだ、デバッグ中なので、メータの動作や車両の動きは悪いが、速度計と圧力計、さらに警笛などの機能は動作している。
表示部をより実車に近づける為にはまだまだ改良が必要である

側面部にはスピーカがある

背面にはコントローラとPCとの通信用コネクタ(D-SUB9pin)、KATO用フィーダコネクタ、DCコネクタ、主電源スイッチがある。

・機能詳細
①主操作部:ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」(加速6ノッチ、常用ブレーキ8段階、非常制動、押しボタンスイッチ4個、逆転スイッチ)
②副操作部:自作運転台上(トグルスイッチ6個、プッシュスイッチ2個、ロータリスイッチ2個、ロータリーエンコーダ2個、ボリューム2個、キースイッチ)
③主表示部:KATO社製ECS-1パネルメータ(電流計、速度計、圧力計)
④副表示部:自作運転台上(LCD(20文字4行表示)、大型LED2個、小型LED4個)
⑤制御回路:マイコン(ルネサステクノロジ社製SH-2 7144F)を使用したPWM信号制御
⑥出力回路:モータドライバIC(TA8428K)2チャンネル

・特徴 
 マイコンを用いたPWM信号で可変電圧可変周波数制御(VVVFインバータ制御)を行なう。これにより、出力が0.0〜12V(分解能10bit)、周波数が30〜20kHzまで変更可能。
 完全なディジタル制御により、LCDやLED、パネルメータの制御を行うことで、任意の表示が可能。
 録音再生ICにより、警笛の音を出力可能。
 計器やLCDの夜間用照明用のLEDを搭載、さらに、キースイッチにより、動作切替。
 加速率、減速率、最高出力、ブレーキ制動量の各設定がEEPROMにより記録可能。電源を切っても記録を保持。

・主要緒言
電源:12V5A(スイッチングACアダプタにより供給)
出力端子:KATO用フィーダコネクタ×2チャンネル(0〜12V)
入力端子:D-SUBコネクタ×2個(ポニーキャニオン用、PC通信用)

2009年10月19日月曜日

電車でGO!のコントローラを改造して鉄道模型を動かす

 前回の記事で「電車でGO!」の2ハンドルタイプのコントローラ(セガサターン用)の解析が終了したので、今回は実際に鉄道模型を動かしてみる。と言っても、コントローラの信号を解析し、それをマイコンで処理し、PWM制御を用いて、鉄道模型(Nゲージ)のモータを制御する。これはいつも通りの構成である。様々なコントローラがあるが、それを単なる入力装置として扱う事で、汎用性の高いコントローラとなり、いろんなコントローラで鉄道模型を動かす事ができる。これもマイコンのおかげである。さらにはプログラムを変更する事によって、より複雑な動作も可能であるので、自作&改造には重宝する。

とりあえず、改造したコントローラからはマスコンの位置情報が3bit、ブレーキの位置情報が4bitで出てくる。単純にLEDを光らしてみると以下の通り。


この信号をマイコンで処理し、Nゲージを走らせてみる。モータ出力にはドライバICを使用しPWM信号で出力を調整する。緩やかな、加速減速と、低速運転が可能となる。

・仕様
入力部:タイトー製セガサターン用「電車でGO!」2ハンドルコントローラ(改造済み)
CPU:ルネサステクノロジ社製SH2 7144F
出力制御:モータドライバIC「TA8428K」を使用したPWM出力制御

・使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
・使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

電車でGO!のコントローラを改造する(セガサターン用)

 電車でGO!の2ハンドルタイプのコントローラ(セガサターン用)を手に入れたので、改造してみる。PS(プレイステーション)用であれば、信号を解析し、コントローラとしての機能を残したまま活用できるが、セガサターンは所持しておらず、内部の構造を知る為にも、改造を行なう。

<注意!!>
・電気製品の分解・改造は個人の自己管理の元で行なってください。そもそも改造する事を前提に設計されていません。機器の故障、破壊はもちろん怪我、火傷、感電、火災につながる可能性があります。このブログは改造を推奨する為に記述しているのではありません。また作業内容には記事以外の内容が多分に含まれており、専門的な知識や技術が必要となります。あくまでも、このような改造事例があるという事実を伝える為のものですので、ご注意下さい。また、コントローラの種類や製造年代によっては同一の機構や回路でない場合があります。

まずはコントローラ本体、やはりおもちゃと言った感じ、、、。

裏側、謎の切り込みがある(笑)

裏蓋を開けたところ、やはり謎の切り込みは謎のまま(笑)

メインの基板上に専用のICがあり、さらに、マスコン用とブレーキ用のコネクタがある。

ブレーキ側の基板、よく見ると、汎用ロジックICが使われていて、単純なエンコーダの回路構成となっている。つまり、マスコンの6段階(「切」を含む)とブレーキの15段階(「解除」を含む)が2進数に変換され、それぞれ、3bitと4bitに変換されている。

内部の構造が理解できたので、改造に取りかかる。まず、専用ICは単なるブラックボックスなので取り外す。コントローラ用のコネクタは9芯なので、電源とGND、さらに信号線が7bitで数はぴったり合う。そこで、コントローラ用のコネクタの基板をカットし、 コネクタ間をジャンパ線で結び、コントローラ用の端子から直接信号を取り出す事にした。

セガサターン用のコントローラ端子を切断し、代わりに、QIコネクタで配線する。

改造が終了したので、確認作業を行う。残念ながら、スタートやセレクト、ABCボタンは使えなくなった。

 今回の改造によって、内部の構造はさほど複雑ではない事が判明した。しかし、スペース的には小さく、この中に回路を組み込むのは難しい。やはり、外部入力装置として使うべきである。

運転台型コントローラの製作(その二)

 引き続き、運転台型コントローラの製作中である。外観とパネルメータの駆動、さらにバックライトとイルミネーションが完成したので、その実験を行う。

 表示部にはKATO製のECS-1のパネルメータを流用し、さらに液晶ディスプレイ(LCD)を2つ、大型のLEDと小型のLEDを搭載した。さらに、ボリュームやトグル、プッシュスイッチとロータリーエンコーダとロータリスイッチを搭載している。ここで、照明の点灯試験とパネルの駆動実験の様子を見てみる。


 背面部の主電源によって、パネル部のランプが点灯している。さらに、キースイッチを使用して、マイコンを起動させて、パネルの照明やメータを駆動させる。現時点ではスイッチとLEDの点灯試験を行うため、スイッチの機能は一部変更してある。さらに、ボリュームによって、メータの駆動実験を行っている。

2009年10月18日日曜日

運転台型コントローラの製作(その一)

 今まで、制作してきたコントローラは特に外観が運転台とは呼べない代物であった。しかし、操作方法やモータへの出力制御が、試作製作による試行錯誤で一応の完成形をみたので、ここで、知人から頼まれている運転台型コントローラを製作してみる。仕様としては今まで通り、マイコンを使用したPWM制御(疑似VVVFインバータ制御)でモータを駆動させる方式をとり、可変電圧可変周波数制御で、より実車に近い走行を実現する。さらに、加速率、減速率、ノッチ制限、制動遅延、発電ブレーキ、空制ブレーキ、最高出力制限等の調整機能を含み、表示部分にもLCDやLEDを使用し、すこし、大型のコントローラを制作する。
 
 とりあえず、外観はCADで設計を行う
 メータはKATO社製のECS-1のパネルメータを流用し、幅400mmのアルミケース上に固定する。操作部はポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」を使用し、2ハンドルのコントローラとして設計する。

詳細は乞うご期待!!

2009年10月13日火曜日

抑速について

 KATO社製の運転台型コントローラECS-1を改造して、マイコンを使用したPWMコントローラにて抑速運転を行った。ECS-1の操作には力行4段階、抑速、常用制動8段階、抜き取り、非常制動がある。その中で抑速運転の動作にこだわってみる。
 今回、抑速でその名の通り速度を抑える方法としては電制ブレーキ(発電ブレーキ、回生ブレーキ、電気ブレーキ)だけの制動をかけ、空制ブレーキは一切使用しない。しかし、電制だけでも高速運転時は制動の効きはなかなかのものである。しかし、低速時には制動力が得られなくなるため、ある一定の出力以下では自動的に電制が切れる。その動作も中実に再現してみたい。


①マスコンレバーを力行にし、電車を加速させる。
②マスコンレバーを戻し、電車は惰行。さらに抑速に入れる。
③電制ブレーキが効き、電車に制動がかかる。
④一定出力以下(今回は8%以下)になると電制ブレーキが切れ、電車は惰行する。
⑤空制ブレーキを作動させ、電車を停止させる。

・仕様
入力部:KATO社製ECS-1改造コントローラ
CPU:ルネサステクノロジ社製SH2 7144F
出力制御:モータドライバIC「TA8428K」を使用したPWM出力制御
アルゴリズム:疑似サイリスタチョッパ制御、電磁直通空気ブレーキ
操作方法:力行4段階、抑速、常用制動8段階、抜き取り、非常制動

・使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
・使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

電磁直通ブレーキ(SMEE)の実験(ECS-1改造コントローラ)

 今回の実験では電磁直通ブレーキを再現する。さらに、KATO(カトー)社製の運転台型コントローラであるECS-1をPWMコントローラに改造し、マイコンで制御を行う。都合上パネルは撤去し、マスコンハンドル、ブレーキハンドル、逆転スイッチのみを入力として扱いマイコンで処理し、モータドライバを使用してモータへの出力を行なっている。
 ここでは、前回までの直通ブレーキの実験()から徐々に発展しているが、特に空気の圧力を制御に取り入れる事で、ブレーキの挙動をより実車に近づけるための実験である。MR(Main Reservoir):元空気溜めとSAP(Straight Air Pipe):直通管の圧力の変化を数値として表現しているところが大きな特徴である。

 簡単にブレーキの構造を紹介する。まず、直通管は直接ブレーキシューを動作させる為の圧力管でこの圧力が高いとより強力にブレーキがかかる。また、元空気溜めはブレーキ動作に必要な圧力を溜めておくタンクの事である。通常はコンプレッサーの動作によって一定圧力が保たれる。では、動作を再現してみる。


①:ブレーキレバーを左へ回して直通管の圧力を解放し、ブレーキを解除(SAPの圧力に注目)
②:マスコンハンドルを力行に入れ列車を加速させる
③:マスコンハンドルを戻し、列車は惰行運転に入る。ちなみに、抑速は発電ブレーキのみが作動する。
④:ブレーキハンドルを右へ回し、直通管に圧力が送られ、列車に制動が掛かる。このとき、SAPに送った圧力分だけ、MRの圧力が下がる。しかし、コンプレッサーによって圧力が回復する。
⑤:ブレーキハンドルの位置に応じて制動力が変化する。ブレーキを解放すれば、列車は現在の速度で惰行する。
⑥:列車を完全に停止させる為に、ブレーキの圧力を上げる。しかし、実車ではショックが大きくなるので、ここの操作が上手下手の条件の一つとなる。


・仕様
入力部:KATO社製ECS-1改造コントローラ
CPU:ルネサステクノロジ社製SH2 7144F
出力制御:モータドライバIC「TA8428K」を使用したPWM出力制御
アルゴリズム:疑似サイリスタチョッパ制御、電磁直通空気ブレーキ

・使用車両:KATO製 阪急電鉄6300系(4両基本セット)内モータ車のみ
・使用線路:KATO製 ユニトラック線路(Nゲージ)

2009年10月9日金曜日

直通ブレーキ(SME)の実験(その2)

 前回の実験では制動の遅延だけを表現したに過ぎない(笑)。ここでは本格的に、空気溜めから、直接ブレーキシリンダへ圧力が加わるような動作を再現したい。
 ブレーキの動作を要約すると、まず、ブレーキシリンダに圧力を掛けることで、シリンダが動作し、ブレーキシューを車軸に押し当てて、制動が掛かる。ここで、空気溜めから、直接ブレーキシリンダへ空気を送る為の調整機能がブレーキレバーとなる。
 この今回制作した制御装置のブレーキレバー操作は以下の様に範囲が決まっている。
 減圧域ではシリンダの圧力を解放する(ブレーキが緩む)、制動保持域ではシリンダの圧力を保持する(ブレーキを維持)、常用制動域ではシリンダへ空気を送り込む(ブレーキがよりかかる)、非常制動域では非常弁が開かれ、非常用のタンクからブレーキシリンダへ圧力が送られ、非常制動がかかる。
 それでは、動画を見ながら、動作を確認してみる。
1:加速レバーで、電車を加速させる。
2:加速レバーを緩め、電車は惰行する。
3:ブレーキレバーを常用制動域に入れ、シリンダ圧力が上昇する。コントローラのLCDには圧力表示があり、ブレーキの動作具合が確認できる。
4:制動保持域にレバーを入れると、圧力が保持される。当然、電車は制動がかかった状態なので、減速する。
5:減圧域にレバーを入れると、シリンダの圧力が解放されて行くが、すぐに圧力が抜けないので、この状態でも制動がかかっていて、電車は減速する。

・・・・・はっきり言って、運転が難しい(笑)。

試作コントローラver0.7(直通ブレーキ仕様)

 今まで、製作してきた制御装置(コントローラ、パワーパック)のブレーキハンドルはロータリースイッチを使用している。つまり、ブレーキを数段階に分けて作動させるものである。これは常用制動1〜7までのそれぞれの段階で、制動量を決定するアルゴリズムで、明解かつ操作もやりやすい。しかし、世の中、そんな簡単に動かせる電車は多くない(笑)。そこで、今回は「直通ブレーキ」と呼ばれるブレーキを採用した制御装置を作ってみる。

 ブレーキの仕組みや、制御システムのアルゴリズム、制御装置の詳細は次回の記事で、また制御装置の仕様についてはHPで掲載していますので、ご覧ください。「こだわり電車運転台(http://kodawaritrain.web.fc2.com/)

まずはCADで設計して図面を描く

次にケースを加工

部品を仮配置して、干渉をチェック

基板を設計&製作、マイコンを使用しているので、非常にコンパクト

スイッチ類との配線を行なう

プログラムを書き込み、動作チェック

 肝心な制御アルゴリズムはここから開発が始まる(笑)

・主要機能
マイコンによるディジタル制御(Atmel AVR MEGA168P)
PWM制御による疑似VVVFインバータ制御
アナログダイヤル及び加速、減速ハンドルによる惰行運転制御
発電ブレーキ、、空制ブレーキによる制動を再現
各加速率、減速率、最高出力、制動量の調整
デューティ出力、速度、周波数、電流、ブレーキ圧力の表示
過電流保護回路(ポリスイッチ)搭載

・主要緒言
電源:スイッチングACアダプタによる直流12V
出力:モータドライバICによる出力0〜12V、最大1.0A
操作:2ハンドル(加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキボリュームによる無段階、非常制動)及びアナログダイヤルによる
表示:16×2文字表示のLCD及びLED

2009年10月7日水曜日

試作コントローラver0.6(ローコスト版)

 今まで製作してきたコントローラは、試作の段階ということもあって、市販のコントローラよりも制作費は高くなってしまっていた。機能を求める点では自作にこだわる必要があるが、できれば安く作りたい。そこで、今回は今までのコントローラの機能を維持しつつ、製作コストを下げる努力をしてみた(汗)。
 今回のコントローラにはさらに、運転中の周波数可変制御(疑似VVVFインバータ制御)を可能としたアルゴリズムを適用し、より柔軟な運転が可能となり、また、運転走行可能な車両も増えた。さらには、応用として、常時点灯ユニットへの対応も可能となる。一方、自動運転の為のセンサ入力や方向転換、ポイント操作への機能拡張は出来ない。

・制作過程

まずは設計、CADを使って頭の中のイメージを具体化する

設計図をアルミケースに貼り、穴あけ準備

基板の製作、ちなみに回路図は頭の中(笑)

穴あけ完了、仕上げはヤスリを使う

部品の仮配置、干渉をチェック

配線作業、一番厄介(笑)

完成!!、あとはプログラムのチェック


・主要機能
マイコンによるディジタル制御(Atmel AVR MEGA168P)
PWM制御による疑似VVVFインバータ制御
アナログダイヤル及び加速、減速ハンドルによる惰行運転制御
発電ブレーキ、回生ブレーキ、空制ブレーキによる制動を再現
各加速率、減速率、最高出力、制動量の調整
デューティ出力、速度、周波数の表示
過電流保護回路(ポリスイッチ)搭載

・主要緒言
電源:スイッチングACアダプタによる直流12V
出力:FETによる出力0〜12V、最大1.0A
操作:2ハンドル(加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ⑦ステップ、非常制動)及びアナログダイヤルによる
表示:16×2文字表示のLCD及びLED

2009年9月23日水曜日

PSPを使って鉄道模型を動かしてみる

表題は見栄をきったが、実際はものすごく単純、PSPのブラウザを使って、操作するだけなので、別にPSPで無くても、DSiでもiPod touchでもWWWブラウザが使えるものなら何だっていい(笑)。とりあえず、動かすだけ動かしてみる。尚、PSPはソニー、DSはニンテンドー、iPod touchはアップルの商標です。


仕組みは、CGIを使ってマイコンに指令を出し、それを実行しているだけなので、非常に簡単です。とりあえず、ラジオボタンで「正転」、「停止」、「逆転」を選んで、送信ボタンを押す。タイムラグや送信ボタンを押さなければならないので、操作性は悪いが、半自動運転では実用に耐えうると思う。

入力装置 :ソニー社製「PSP(プレイステーション・ポータブル)」
制御方法 :PWM信号によるデューディー制御
出力方法 :フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 :正転(ディーティ比10%)、停止、逆転(ディーティ比10%)
CPU :ルネサステクノロジ社製H8 3069
開発方法:TCP/IPネットワーク環境を利用した開発

実験車両:グリーンマックス(GREENMAX)動力ユニット(Nゲージ)
実験線路:カトー(KATO)社製直線線路(Nゲージ)

2009年9月21日月曜日

量産型コントローラver0.5(試作実験用バージョン)

とりあえず、量産型のコントローラとして、製作及び検証を行う。製作するのは2ハンドルタイプのコントローラで、超低速走行及び実車の動作に合った制御を行う。

まず、外枠はプラスチックケースで作成し、表示部にはLCD及びLEDを使用し、操作はロータリースイッチ、トグルスイッチ及びプッシュスイッチを用い。また可変抵抗を使用したつまみによって調整及び制御を行う。

・主要機能
PWM信号による出力制御を用いた鉄道模型用モータ制御
アナログダイヤル及び加速、減速ハンドルによる惰行運転制御
発電ブレーキ、回生ブレーキ、空制ブレーキによる制動を再現
各加速率、減速率の調整及び記憶
デューティ出力、速度、電流の表示
過電流保護回路(ポリスイッチ)搭載

・主要緒言
電源:スイッチングACアダプタによる直流12V
出力:モータドライバによる出力0〜12V、最大1.0A
操作:2ハンドル(加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ⑦ステップ、非常制動)及びアナログダイヤルによる
表示:2×20文字表示のLCD及びLED


2009年9月20日日曜日

ユニバーサルコントローラver0.4(高機能マイコン使用)

ルネサステクノロジ社製のSH7144Fを使用した、高機能版の制御装置の試作です。今までの走行アルゴリズムに加え、様々な列車の加速に適応させる為に伝達関数を加え、実車に即した動きを再現させる。


調整用のつまみと、外部入力用のコネクタ(RS232C)、フィーダ出力コネクタ、情報表示用のLCDが上面と側面、背面にある。


制御用のアルゴリズムを改良し、より実車に近づける。特に「出力=速度」とならないので、それらを変換する関数が必要となる。これはモータの種類に応じて設定を変更するしかない。今回はグリーンマックスの動力ユニットで実験している。

入力装置 :ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 :PWM信号によるデューディー制御
出力方法 :フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 :加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑧ノッチ、非常制動
主装置 :マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU :ルネサステクノロジ社製SH7144F

2009年9月10日木曜日

圧力計表示へのこだわり

実車のブレーキは空気圧力により制動をかけているが、その圧力が上昇するまで時間がかかる。つまり、ブレーキレバーでブレーキをかけても、圧力が上昇するまでのタイムラグと滑らかな圧力の上昇がある。とりあえず、圧力計だけを動かしてみると

このように、反応がすぐに現れるため、滑らかな変化とは言えない。そこで、P制御を用いて、圧力計の動きを滑らかにしてみる。


これで、より圧力計に近づいた。すこし、針の動きがぎこちないが、、、、(汗)。

表示部:KATO製ECS-1 パネルメータの速度計のみ駆動
表示駆動回路:PWM信号とオペアンプによるローパスフィルタ経由のD/A変換回路
入力装置 :ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 :PWM信号によるデューディー制御
出力方法 :フルブリッジモータドライバによる
出力制御域 :加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 :マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU :ルネサステクノロジ社製SH7144F
開発方法:モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

2009年9月6日日曜日

ブレーキ圧力計の調整

速度計の調整は後回しして、今度はブレーキの圧力計を駆動してみる。使用するのはKATO社製ECS-1を改造して、パネルメータのみを取り外し、駆動させる。各ブレーキのノッチ毎に圧力が変化するようにする。




表示部:KATO製ECS-1 パネルメータのみ使用
入力装置 :ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 :PWM信号によるデューディー制御
出力方法 :フルブリッジモータドライバにより
出力制御域 :加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 :マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU :SH7144F モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

速度計の調整

液晶を使用したディジタルでの表示も良いけど、やはりアナログメータの表示は不可欠だろう(笑)。とりあえず、KATO社製ECS-1のパネルメータを使用して、速度を表示させてみる。


インジケータの駆動は出来るが、デューティ出力と実際の速度、パネルへの駆動出力の関係が複雑なので、微調整が必要となる。

表示部:KATO製ECS-1 パネルメータの速度計のみ駆動
入力装置 :ポーニーキャニオン社製「Master Controller 2 for Train Simulator」
制御方法 :PWM信号によるデューディー制御
出力方法 :フルブリッジモータドライバにより
出力制御域 :加速⑤ノッチ、惰行、常用制動⑦ノッチ、非常制動
主装置 :マイコンを使用した入力及び出力制御、表示制御器
CPU :SH7144F モニタープログラムを利用したデバッグ環境にて開発

2009年9月3日木曜日

量産型コントローラ(コンパクト仕様)

2ハンドルタイプのコントローラ(パワーパック)を自作してみた。コンパクトだが機能は充実している。製作過程は以下の通り。

ケースはアルミを使って、重厚感を出す。

スイッチや液晶部分の穴あけ、加工を行なう。

基板の設計、ハンダ付け。

内部の配線は凄い事になる(笑)。でもコンパクト設計では避けて通れない。

完成した外観、左端のつまみがノッチダイヤル、右端のつまみがブレーキダイヤル、赤ボタンが緊急停止、トグルスイッチは逆転スイッチとなっている。ちなみに、手前のスイッチやダイヤル類は調整用。

背面には電源端子とスイッチ、出力用のコネクタがある。コネクタはKATOのフィーダ用でTOMIX用にするには配線のハンダ加工が必要となる。

・仕様
操作系統:加速⑤ノッチ、惰行、常用ブレーキ7段階、非常制動。緊急停止ボタン。逆転スイッチ(進行方向切替用)。アナログダイヤル(直接制御用)。

表示系統:LCD(2行20列表示)、LED2個。

調整機能:加速率、減速率、発電ブレーキの有無、直通ブレーキ遅延、速度換算、発進出力調整。

出力機能:PWM信号による最高12V出力、最大1.0A。

保護機能:リセット用ヒューズによる電流遮断(1.3Aにて遮断)。過電流検出機能。