鉄道模型用二針（双針）ブレーキ圧力計の動作試験

やはり電車の運転台と言えば速度計や圧力計などの計器の動きも重要であろう。走行中の重要な情報が集約されていて、動かしているという実感が湧く。さて今回は電車のブレーキ圧力計の再現である。以前にもメーター駆動は様々な実験を行ってきたが、今回のはひと味違う。

協和電気計器株式会社より2針型パネルメーターを購入した。電車のパネルメーターであれば、広角度の丸形メーターが主流だと思うが、コストの問題もあるので、今回は写真の様なメーターである。特徴としてはやはり黒針と赤針の２針タイプということであろう。調べてみたところ、電気指令式ブレーキの場合には

黒針：シリンダ圧力（直接の制動力）

赤針：元空気溜め（空気のタンク圧力）

である。自動空気ブレーキや古い車両になると

黒針：ブレーキ管圧力

赤針：シリンダ圧力

の様な気がする。どちらがどちらで、またどのような働きなのかは今後しっかりと調べて行きたいと思う。

それはさておき、実際の動作の様子である。

今後、針の動きや挙動については修正をして行きたい。

TOMIXのTCSパワーユニットN-DU202-CLを改造して、電気指令式ブレーキ＆自動空気ブレーキを再現してみる（プログラム調整前）

さて、今回は改造のご依頼を頂いたので、その製品について紹介したい。改造を行なうのはTOMIX製のTCSパワーユニットN-DU202-CLである。だいぶ以前に、改造を紹介する記事を書いているので、こちらも合わせてご覧頂きたい。また自動空気ブレーキの再現についてはこちらのDLタイプの試作記事もある。

＜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。改造や分解の際には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。

さて、今回の改造では内部の基板については全て交換し、また新たに、調整用のつまみやキースイッチ、プッシュスイッチを追加している。調整用のつまみは左から、減速率、惰行度合い（時計回りに回すとノッチオフ時に減速する度合いが大きくなる）、最高出力、未設定となっている。

またキースイッチはブレーキシステムの切替や、リセットの機能を含めている。プッシュスイッチは駆動音の切り替え用である。

ご意見、ご感想があればお気軽にお問い合わせ下さい。またブログにて紹介しているコントローラの一部は店舗またはこだわり電車運転台ストアにて販売もしております。是非、ご検討ください。

さっそく、DLタイプの改良を行う「非常ブレーキシステムと疑似抵抗制御」

さて、先日の記事で紹介した「PWM電車運転コントローラDLタイプver0.02」であるが、ご意見を頂いたので、さっそく修正を施してみた。

まず、ブレーキについて、非常段に入れると、完全に停止するまで、非常位置に固定され、つまみの位置は無視される。またマスコンについても、抵抗制御を擬似的に再現（あくまでも操作だけ）し、抵抗を焼き切らない様に、一段ずつ、確認をしながら進段する必要がある。

これで、ますます、運転するのが難しいものになってしまったが、実車の運転を考えると雲泥の差であろう。

・主要緒言

電源：12V3.8ACアダプタ付属、ただし出力は最大3.2A

出力：0～12V(デューティ比0～80％)、最大電流3.2A

出力コネクタ： KATOユニトラック互換

大きさ：幅200mm×高さ70mm×奥行き150mm（つまみや突起物含まず）

保護回路：ACアダプタ内蔵の過電流遮断回路、基板上のポリスイッチによる過電流遮断（3.2Aで遮断）

出力回路：MOS-FETを用いたPWM制御

ご意見、ご感想があればお気軽にお問い合わせ下さい。またブログにて紹介しているコントローラの一部は店舗またはこだわり電車運転台ストアにて販売もしております。是非、ご検討ください。

PWM電車運転コントローラDLタイプver0.02（試作品）の紹介「ブレーキ圧力計とブレーキシステムの再現」

さて、以前にTOMIX社製TCS Power Unit N-DU202-CLを改造した際にブレーキシステムの再現をブログの記事で紹介した。また以前より、電気機関車仕様の操作方法を再現して欲しいというご意見もあったので、今回「PWM電車運転コントローラDLタイプ」として試作を行なった。

主な特徴は
・アナログの圧力計と速度計を搭載
・自動空気ブレーキと電気指令式ブレーキシステムを再現
・最大3.2Aの高出力と常時点灯機能
・２ハンドル操作による実車に近い加速、惰行、減速運転が可能
・速度計調節、加速率、減速率、常時点灯調整機能を搭載
・出力や制動の状態をLEDにて表示
・キースイッチによる駆動音選択、ブレーキシステムの選択

一番のポイントは二つのアナログメータである。これはブレーキシステムを再現するにあたって必要不可欠なものである。このメータ自体はマイコンにより制御しているので、二つのブレーキシステムに対応した表示が可能である。

電車の運転にはキーが欠かせない。一昔前ならブレーキハンドルだったが、模型でもキースイッチを使うとより実感が湧く。しかし、このようなスイッチはなかなか手に入りにくい。

・主要緒言

電源：12V3.8ACアダプタ付属、ただし出力は最大3.2A

出力：0～12V(デューティ比0～80％)、最大電流3.2A

出力コネクタ： KATOユニトラック互換

大きさ：幅200mm×高さ70mm×奥行き150mm（つまみや突起物含まず）

保護回路：ACアダプタ内蔵の過電流遮断回路、基板上のポリスイッチによる過電流遮断（3.2Aで遮断）

出力回路：MOS-FETを用いたPWM制御

ご意見、ご感想があればお気軽にお問い合わせ下さい。またブログにて紹介しているコントローラの一部は店舗またはこだわり電車運転台ストアにて販売もしております。是非、ご検討ください。

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）

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）

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（①、②）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）

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

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

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

発電ブレーキのありがたみ

電車の場合、ディスクを直接押さえる方式のブレーキでは高速走行時や連続制動時に制動力が期待できない。そこで発電ブレーキの登場である。これによって大幅に停止距離を短くできる。この発電ブレーキを入れ忘れていると、大変なことに、、、（笑）。

右上が発電ブレーキON、左下がOFF。制動距離の差はけっこうある。

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

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

直通ブレーキ(SME)の実験

電車のブレーキを再現するため、空気制動式の直通ブレーキの動作を確かめる。空気の圧力が高くなるまでの時間差が存在するため、実際の制動がハンドル操作より遅れる。今のプログラムでは電気ブレーキと併用しているため、制動が効きすぎているので、運転が非常に難しい（汗）。それでも、ハンドル操作より遅れて、車両のスピードが落ちている事が分かる。

制動量の再現性を高める為に、8bitマイコンから16bitマイコンに変更した。これで、さらなる微調整が可能となる。

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

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