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新規鉄道模型レイアウト制作状況その1:PWMコントロールユニットの制作

前回に引き続きあらたなレイアウト用にPWMモーターコントローラを制作してみました。今回はいろいろな電気工作で便利に使われるタイマー555を組み込んだものです。555による発信回路を利用して出力矩形波のデュティ比を変えていきそれを最終段のFETでモーターを駆動します。これはマイコンでも形成できますが、秋月電子商に大変簡単な回路構成をもったPWMキットがありましたのでこれを利用してトレインコントローラ用に改造しました。
秋月電子通商PWMコントローラキット

PWMコントローラの写真を掲げます。このキットは555というタイマー動作をきわめて教科書的に設計されていますので理解が大変容易に出来る設計になっています。外付け抵抗とコンデンサーの定数により設計のドライブ周波数は約10KHzになっています。このキットにかき2点の機能追加を行いました。
(1) レール間が短絡した場合に回路を保護するためにポリスイッチを基盤内に設置。一部パターン切除。
(2) 速度制御用のボリュームを外付け。
さらに電源スイッチと方向転換用のドグルスイッチをレイアウトに内蔵時に追加するつもりです。

IMG_1109.jpeg
オリジナルのキットの回路図を下記に示します。このコントローラは内部ロジック用とモーターの電源を別にとれるようになっていますので大きなモ−ターも回転させる事が可能です。しかし今回動力ユニットの最大電圧が6Vなのでロジックとモーター用電源を共有にしました。
PWM2回路図

このPWMコントローラでドライブするのは箱根模型工房クラフト製の動力車でWB12-6.5H。6.5mm(z)ゲージ対応のユニットです。かなり小さいユニットであることは下記の写真(10円玉との比較)からでも分かりますね。低速度でもスムースに動く優れものです。
IMG_1112.jpeg
WB12-6.5Hの情報はこちら:箱根模型工房クラフトWB12-6.5H

下の動画はWB12-6.5H動力車の運転風景です。速度は変化させていませんが、かなり安定した動きです。この動力ユニットに自作の車両を乗せるつもりです。


まずは新しいレイアウト作成状況の第一弾です。



小さなジオラマ作成記

今日は大晦日。間もなく新しい年が始まります。今年2013年、思い立ってジオラマ教室に通い始めました。その成果の第一弾、小さなレイアウトが一応完成(いじくるといつまでも終わりが無いので、一応という言葉で)しました。今回の記事ではその制作から完成までを述べてみたいと思います。次の写真が完成品のすがたです。10インチのケーキドームに収まっています。
IMG_0985.jpeg

今回の作品は初心者のためのもので、直径約250mmの円形レールにジオラマを作り込んでいくというもの。建物は2軒でトミーのジオコレというキットを使います。そのまま使うのではなくてこのレイアウトに合うように小さくします。

まず最初の段階。ベースは円形のスタイロフォームを使います。スタイロフォームは家の壁などの断熱材によく使われている材料で発泡スチロールより堅く出来ています。又加工が簡単なので鉄道模型のレイアウトにはよく使われます。そのうえにトミーテック製のスーパーミニカーブレール(半径103mm)を設置します。ゲージはNゲージといって軌道間隔が9mmです。さてジオコレの家を組み立て、それをどのように配置するかを決めます。また小さなスタイロフォームで小さな丘を作っていきます。右側の写真は建物が置かれる位置に小さな穴をあけて100円ショップで買って来た照明を入れたものです。
IMG_0671.jpeg DSC02981.jpeg
左はイメージを膨らませるために針葉樹や広葉樹(これもジオラマキットで制作)を適当においてみた写真です。真ん中にスチロール板の道を置きました。これだけでも感じがでてきますね。

さて左の写真はちいさなスタイロフォームを削って丘を作った後その上にプラスターという石膏材料を塗った様子です。また踏切を作るために道に石膏粘土で形を整形しました。石膏粘土も石膏も乾燥した後はヤスリなどで調整できます。田んぼは緑色の芝をあらわす紙を貼ります。またレールは本物のように見せるために線路のさびを表現するようにエナメル塗料で茶色に塗ります。後で走行面の塗料をはがせば本物のレールのように見えます。田んぼのあぜ道は白いスチール板を張りました。
DSC02873.jpeg IMG_0730.jpeg

DSC03022.jpegこれら全ての段階で電車がうまく運転できるかチェックをします。そのために自作のコントローラを用意しました。これは先般ブログ記事に載せたPWMコントローラです。車両を大変ゆっくり走行させることができます。PWM模型鉄道用コントローラ

次のステップは道路と丘の塗装を行う事です。左の写真は道路をアクリル塗料で塗装して実際の道のようにムラを出したもの。踏切のところは黄色の注意色で塗りました。また田んぼのあぜ道や家の周りの土地には木工ボンドを水で薄めたボンド水を塗って上からターフの粉を振りかけます。三種類の濃さの粉をうまく振って土地の感じを出します。右の写真は石膏で固めた岩に水でかなり薄めたアクリル塗料を筆でたたくように塗ったものです。塗料が自然に流れて岩の濃淡が付いて本物のような感じになります。この上にも後でボンド水をまだらに塗って軽くターフを振りかけます。岩の割れ目から苔や雑草が生えて来ているような感じが出せます。
IMG_0795.jpeg IMG_0761.jpeg

ここまではほぼベースの景色の作成でした。ここからはディーテールの作成に移ります。左の写真。小さな岩の丘に針葉樹と常葉樹をスキマ無く植えました。一カ所に高いものをまとめるとレイアウト全体が締まりのある形になります。踏切には注意信号を取り付けました。電柱も一本、仮置しています。右の写真は反対側から見たもの。岩の崖にそって作られた塀にツタが生えているようにしました。また家の周りに少し背の高い草を植えました。いよいよ本物のように見えてきました。

IMG_0819.jpegIMG_0832.jpeg

少しアクセントが欲しかったので在庫に持っていたプラスチックの小さな家を改造して田んぼに小屋(倉庫?)らしき建物を作っておいてみました。この段階では田んぼで働く人たちのフィギュアを設置しています。右の人は米俵を担いでいるのでしょうかね(写真左) 。右の写真では昔懐かしい三輪車を配置しました。荷物の緑色の幌はティシュペーパーにボンドを付けて着色し、その後に黄色の糸で幌を固定しています。三輪車は少し汚しています。
IMG_0867.jpeg IMG_1044.jpeg

もう少し小物が欲しくなります。二階建ての家の横が寂しかったのでそこにスチロール板をボールペンでけがいて敷石風に塗装した歩道を置くことにしました。またその上に自転車を停車させ、電話ボックスも付けることにしました。左が自転車、右が電話ボックスです。両方とも紙で出来ています。電話ボックスの中には電話機と電話帳まで入っています。
IMG_0936.jpeg IMG_0932.jpeg

また左の写真が作成した歩道で右がその設置後です。歩道の上に自転車と電話ボックスを置きました。自転車に乗ろうと女の人が近づいています。歩道のそばには排水溝の蓋もあります。
IMG_0941.jpeg IMG_0943.jpeg

やはりレイアウトにはストーリーが必要です。左の写真は買物帰りの中年のおばさんのフィギャー。「あそこのお店が安かったのよ」等とお話をしているようです。右の写真は一家で電車を見ている様子。小さな子供がお母さんにだっこされていますね。男の子がサッカーボールを持っているようですね。犬もいます。
IMG_1042.jpeg IMG_0960.jpeg

物干竿に敷布が干されています。横で掃除をしているご婦人が。。見えるかな?この家にはテレビアンテナもありますね。東京タワーの方を向いているのでしょうか。
IMG_1043.jpeg IMG_1046.jpeg

やはり当時からカメラ小僧がいたのかも(写真左)。家の裏にはイングリッシュガーデンがあって老夫婦が座って鑑賞していますね(写真右)。色々場面が出来て来て面白くなってきます。
IMG_0963.jpeg IMG_0965.jpeg

さて少しこだわりがあったのが空中に張っている電線と電車の架線作成です。電柱に渡っている電線はEasy Lineといって伸び縮みするゴム線のような材料を使っています。模型帆船のロープや昔の複葉機の張り線にも使っているものです。家庭の引き込み線も再現してみました。碍子を白く塗っています、実物の電車の架線は支柱と支柱の間を直線で結ぶのですが、このような小さなレイアウトで円形線路の場合は柱だらけになってしまいます。それを避けるために少しデフォルメをしました。曲線の架線を張るのですね。材料は直径0.3mmのリン青銅線。この材料はバネに使っているのでへたりません。おかげで架線の雰囲気を出すことができました。写真左が電線。右が架線の状況です。
IMG_1045.jpeg IMG_1007.jpeg

以上のような細工でようやく納得がいくレイアウトになりました。このレイアウトを背景にのんびり走行する電車の動画を最後にリンクします。



これでまずは第1弾の完了です。さて次にまたチャレンジを始めています。それでは皆様よいお年を。


晩秋:小湊鉄道の沿線風景

12月初旬、もう紅葉のシーズンも殆ど終わりですが晩秋から初冬にかけての鉄道風景を求めて千葉の小湊鉄道の様子を撮影しにいきました。東京都心から1時間30分位の場所でアクセスがよくそれでいてローカル線の匂いを楽しめる人気の沿線です。

上総大久保駅に到着した気動車。たった一両ですが、ローカル線にはよく似合います。今年は台風26号の災害で小湊鉄道は上総中野と養老渓谷の間が今でも普通になっています。五井と養老渓谷で折り返し運転をしています。この上総大久保駅も最近やっと開通したようです。この駅にアクセスする道路でも今も崖の亀裂修復工事に出くわしました。
IMG_1444_+2_fusedPS.jpeg

気動車の横にICHIHARA ART x MIXの文字が見えます。来年開催される中房総国際芸術祭の宣伝のようです。
IMG_1452_3_4_トーンマッピング済み

ひとときのローカル気分を味わいました。

参考)撮影場所
地図上総大久保駅



電子工作事始め(Arduino Microprocessor Board)その1

前回の記事で鉄道模型を走らせるPWMコントローラの話をしましたが、もう少し進んだ制御方法や鉄道レイアウトで使われる転車台の制御などのために、今回新しくマイコンを使った方法を勉強したいと思いました。

写真は鉄道博物館にある転車台(ターンテーブル)です。列車の方向転換などに使われました。
鉄道博物館の転車台
この転車台は模型で実現する事は結構面倒くさいのです。回転させること自体は簡単ですが、決められた所にぴたっと止めるのがなかなか厄介なのですね。ステッピングモータを使ってArduinoで制御すれば何とかなるかもと思ったのが今回の端緒でした。

さて、マイコンというと色々面倒なことをやらなければならなかったのですが、いまは2008年頃から徐々に人気がでて来ているイタリアで開発されたArduinoというアーキテクチャーを使って色々試していきたいと思います。先週そのマイコンボードを手に入れました。とりあえずはエントリーキットです。
ArduinoエントリーキットArduinoエントリーキット
()
Physical Computing Lab

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内容の理解はArduino開発プロジェクトの一人Massimo Banzi著の本を参考にしました。
Arduinoをはじめよう 第2版 (Make:PROJECTS)Arduinoをはじめよう 第2版 (Make:PROJECTS)
(2012/03/16)
Massimo Banzi

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まずは初心者が行う動作テストでLEDをチカチカさせるというまさしく赤ん坊のような第一歩をトライしました。今回はその様子を少しまとめてみました。

まずArduinoというのはどのようなボードか?写真を見てください。
Arduino UNO Board

上記の写真のなかにコンポーネントの部品名を入れましたが、USBでコンピュータに接続しマイコンのプログラムを入力します。このボードの中心はATmega328と呼ばれるアトメルのマイクロプロセッサーです。各I/OポートはこのLSIから直接つながっています。電源はUSBからかあるいはDCアダプターから供給します。

つまりこのボードでマイコンの開発が全て出来るようになっています。

コンピュータにはArduinoのサポートサイトから開発用のソフト環境を無償でダウンロードすることができます。このプログラムはWindows, Mac OS-X, Linuxのどの環境でも稼働します。ダウンロードはこちら Arduino 開発プログラムダウンロード

ダウンロードしてソフトを開けると下記のような画面がでてきます。
Arduino IDE_Screen

この言語はBasicなどと違ってコンパイル言語なので最終的にマイコンにはオブジェクトコードで書き込まれます。

さてまず第一歩としてLEDを点灯させてみましょう。接続は大変簡単でArduino UNOボードのGNDとPin13(Digital)にLEDを接続します。コンピュータのUSBとボードのUSBポートを接続します。下記写真のように。LEDの足の短い方(カソード)をGNDに。
Connection.jpg

コンピュータのスケッチ(ソースプログラムとでもいうべき)は下記のように書き込みます。これはPin13にLEDをアサインしてデジタル信号を1000msecだけONしてその後1000msecOFFするという命令です。Pin13に接続されたLEDは1秒点火して1秒消える事を続けます。下記にSketch画面と動画を示します。
Sketch.png



これを例えば100msec添加して2000msec消灯させるようにするにはプログラムのパラメータを次のようにすれば言い訳です。
Sketch2.png

動画です。


もうLEDの点火時間は自由に変えられるといってもいいでしょう。

これはまだ序の口の序の口で、Arduinoの「イロハのイ」ですが、基本的には;
1) やりたい事を決める
2) そのためのハードの回路を決める
3) ソフトで動作を決める、マイコンにソフトを書く。
4) あとはやりたい動作をさせる。

という事ですね。もう少し勉強をして高度な動きをさせたいと思っています。今のところゴールは転車台の制御です。進捗状況は順次報告します。


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...