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模型鉄道用コントローラー

今回は電子工作の話。

氷河急行スイスのレーテッシュ鉄道。ランドバッサー橋を渡る氷河急行の姿は鉄道ファンのみならず多くの観光客を魅了しています。ジオラマを作る一つの目的はこのような素晴らしい情景を自分の目の前で再現するという事にもなるのでしょうか。そのためにはジオラマを制作するノウハウがあります。小さくなるとおのずと実物とは違う現象がおこります。縮小した世界がおもちゃっぽく見えてしまう事は多々ありますね。ジオラマでは実物のように見せる岩肌の感じ、木々の植栽など色々工夫します。しかしなかでもやはり主役は列車の動いている姿です。

今回の記事はその主役を陰で支える鉄道模型運転用のコントローラに関してです。

模型列車を電気で運転する方法は大きく分けて2種類あります。一つは車両自体に電池などの電源を持って自走するもの。これは実機と同じ方法ですが、人が乗って制御できたり制御装置を組み込む空間がない小さい模型車両ではただ一定方向に一定速度で走らせる事しか出来ません。任意の所で止まる事も不可能です。したがって大部分の場合は2番目の方法、レールを通して電気を流し車両に取り付けられているモーターを制御することになります。

この場合レールに直流電圧を加えてモーターの回転を増加減衰させる方法とレールに定電圧のパルス状の電気を与えてその振幅の幅を変えてモーターに加わる平均電圧を上げ下げして速度を制御する方法があります。後者をPWM(Pulse Width Modulation; パルス波長変調方式)とよびます。

下記のその方式の違いを示します。
制御方式の違い

電圧制御はそのままレール間に加わる電圧が変わっていきますが、PWM方式ではレール間の電圧は一定でパルスの幅が変わっていきます。両方とも加速の状態を示しています。PWM方式の利点は低速の場合安定して車両が動く、遅い場合あるいは車両が停止していても電圧が加わっているのでLED照明が車両に付けられている場合点灯するなどがあります。またこのパルスをアドレス信号にして特定の車両だけを動かすことができるなど色々優位な点があります。この方式をDCC(Digital Code Control)とよびます。

電圧制御やPWMコントローラは鉄道模型メーカーから手に入れることができますが案外高価なもので、限られた予算で鉄道模型を楽しむ私にはちょっと厳しいものがあります。また既製品なのであらかじめ決められた事しか出来ません。そこでDIY精神を発揮し、PWMモーターコントローラーを組み立てて列車制御にトライする事にしました。

まず学習のために市販のキットを組み立てました。650円程度で気軽に取り組めます。組立キットの写真を示します。秋月電子で販売されているポピュラーなものです。
DSC02991.jpeg DSC02995.jpeg
写真左側がキットの詳細。モーター、プリント基板、IC、抵抗、コンデンサー、ダイオードなどモーターを回転させるために必要なものが全て含まれています。写真右はこのキットで使われている半導体素子。写真中の左が電界効果トランジスター(MOSFET)。モーターを駆動する電流を制御します。簡単いうと電子を使ったスイッチ。右側がICでなかには2個のオペアンプといわれる機能を持った素子が組み込まれています。オペアンプ出力でMOSFETを動かします。この2個の素子をうまく動かすために抵抗やらコンデンサーが組み込まれている訳ですね。

これを組み立ててモータを動かしている写真。
DSC02998.jpeg

キットの回路です。
PWM_Motor_Controller.png
オペアンプを比較器(Comparator)に使って+極にモータからフィードバックされて来たパルスを使いそのパルスを-極に接続したボリューム変化の電圧で0n-Offさせる構造になっています。モータそのものはオペアンプから出力したOn-Off信号で電流をOn-OffさせるFET(電界効果トランジスター、MOSFET)を使います。電圧で電流増幅させているという事ですね。

このキットだけでは列車制御に少し不足がありますので部品を足します。
1)反転用スイッチ;このままだと一方向のみの回転ですので。
2)レール間ショートの場合の保護回路; ポリスイッチという部品を使います。
3)キットのボリュームの回転方向が通常と逆;左に回すと速度が上がるを「右に回すと加速」にする。

次が追加回路です。
Train_Controller.jpg

それを組み上げた写真を示しましょう。
DSC03022.jpeg

運転の様子。静止状態で車両のモーターがうなります。うなる音が高くなり車両が動き始めます。この唸りは電源の周波数が変わっている効果のようです。


しかし本来PWMというのは周波数そのものは変わらないのでうなり音が変わるというのは少し変だと思い運転時の出力波形をオシロスコープで計測してみました。モーターが止まっているときは周波数が変わっていく模様が見えますね。大体390-500Hz近辺です。440Hzは音楽でいうとハ長調のラの音、390Hzはソ、193Hzがシなのでソラシという感じでモーターがうなっているようです。モーターが廻りだすといささか状況が変わり周波数は一定になります。380Hz位で一定になりその後は直流成分がでて周波数をカウントしなくなります。


手元に別のコントローラ(米国製US$36.00程度)を持っていたのでそれの運転状態の波形を観測しました。この場合は周波数が変わらずにパルス幅が変わっています。所謂典型的なPWM制御をしていますね。周波数は50Hz近辺で速度に関わらず一定です。したがってモーターの唸りは昔のラジオからでたハム雑音のようです。
IMG_0756.jpeg 

チャレンジは周波数を意図的に変えて車両走行中も下の映像のような実機と同じドレミファのメロディを奏でるようなコントローラを作る事です。そのためにはコントローラの出力周波数とパルス幅をうまく変えないと駄目なようです。やはりマイコンなどを使わなければいけないのかもしれません。ちなみにこれはシーメンスのエンジニアが考案したそうで、なかなかセンスがありますね。


それでは次回うまくできれば報告したいと思います...



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