Drehscheibe Spur N mit direktem Schrittmotorantrieb

Auf der großen Anlage meiner "Buben", Sohn und Enkel, wurde am Endbahnhof der Nebenstrecke
eine Drehscheibe eingebaut die vorzugsweise zum Wenden der Loks benötigt wird. Als Vorbild
diente eine, mit Holzbohlen abgedeckte Drehscheibe. Im Modell mit 150mm Durchmesser.

Als simpelste Konstruktion bot sich an, die Wendescheibe direkt auf der Schrittmotorwelle zu lagern.
Das Massenträgheitsmoment ist samt 100g "Lokmasse" so gering, dass mit dem 0.9° Motor im
Mikrostepbetrieb eine sehr gleichmäßige langsame Drehbewegung möglich ist.

Zur Steuerung habe ich mein Schrittmotormodul modifiziert, damit der integrierte Betrieb mit TC-Gold
funktioniert. Bei dieser Implementierung sind maximal 32 Gleisanschlüsse mit getrennten Positions-
-werten für die 180° Wendung möglich. Gezählt wird in TC mit Gleis 0  beginnend. Diese Position war
bisher die Referenzmarke, die im Normalbetrieb nicht verwendbar war.

Zur Positionssteuerung wird die SX-Basisadresse des Decoders verwendet. Die unteren 5 Bit (0 : 4)
sind die möglichen Gleisanschlussnummern 0 bis 31. Das 6-te Bit ist für die 180° Wendung zuständig.
Mit den Bit's 7 und 8 wird die Drehscheibe um jeweils 1 Gleisanschluss, vorwärts und rückwärts
verstellt.

Eine Besonderheit meines Drehscheibenmoduls ist der 360° Betrieb, d.h. alle Bewegungen finden
innerhalb einer Umdrehung statt. Zur Bühnenversorgung mit Fahrstrom und ggf. für die Beleuchtung
wird also kein Schleifringsystem benötigt, sondern nur ein "Kabelbäumchen".

In der Basisadresse wird die Sollposition als Fahrauftrag übertragen. Ist diese Position erreicht,
wird die aktuelle Gleisanschlussnummer in die Meldeadresse geschrieben (Basis + 1), als
Information "neue Position erreicht, Ein-Ausfahrt möglich". Eine wichtige Voraussetzung für den
Automatikbetrieb mit TC.

Der Schrittmotor wird mit Mikrosteps angesteuert, für den 0.9° Motor 1/40 Schritt. Als Endstufe
verwende ich die kleine Digitalsteuerung DM422C der Fa. leadshine. Mit derzeit 52€ zwar kein
"Superschnäppchen" aber sehr praktisch und einfach zu programmieren, mit beliebiger Schritt-
-auflösung bis zu 1/512, Verstärkungsfaktoren des Stromreglers und Phasenströmen  bis 2.2A.

Als Geber für die Referenzposition dient eine günstige Gabellichtschranke und eine Fahne am
Drehteller. Nach dem Einschalten fällt der Schrittmotor in die nächstgelegene magnetische
Vollschritt-Rastposition. Der erste eintreffende Positionswert löst den Referenzlauf aus.
Die Drescheibe bewegt sich in Richtung kleinerer Anschlussnummern bis die Lichtschranke
von der Fahne abgedunkelt wird. Die Drehrichtung wird umgesteuert. Die Referenz-Null-Lage
wird mikroschrittgenau als Mitte zwischen Dunkel und Wieder-Hell bestimmt und die gewünschte
Position angefahren. Im Stillstand darf der Motor nicht vollständig abgeschaltet werden. Mit
Stromabsenkung auf 50% des Fahrstroms wird die Mikrostepposition sicher gehalten.
Motor und Endstufe erwärmen sich kaum.

Die theoretische Genauigkeit an den Gleisanschlüssen ist 1 / 16000 des Umfangs ca. 0.03mm.

Die Einstellung der Positionswerte ist sehr einfach mit dem PC-Programm zu erledigen.
Die Werte werden im EEPROM des Mikro (Atmel Mega8 o.ä.) gespeichert.

Getestet habe ich mit diesem, zugegeben, oberprimitiven Aufbau. Die Beschleunigungs- und Bremsrampen sind
nahezu ruckfrei. Der Schrittmotor fährt "freistehend" die Positionen reproduzierbar exakt an.




Hardware:

Die Decoderschaltung ist denkbar simpel und liefert Takt und Richtung an die Optokoppler-Eingänge der DM422C.






Der schaltfeste Elko C2 4700µF ist für die leadshine 422C nicht notwenig, sondern nur für die nanaotec-Endstufen SMC11 und SMC12.

Die DM422C ist lobenswert gut beschriftet, die Verkabelung sehr einfach wie am Testaufbau zu sehen:

Wegen der sehr niedrigen Drehzahl wird der Motor im Modus bipolar-seriell betrieben, d.h. die beiden Wicklungen jeder
Phase sind in Serie geschaltet. (Beispiel ST5909)


Die DM422C GND-Leitung muss mit dem GND des Decoders verbunden sein.
Der Anschluss "OPTO" dient zur Versorgung der Optokoppler mit +5V ohne Vorwiderstand, die Betriebsspannung Vcc
kann zwischen 18 und 40 Volt gewählt werden, wobei die Minimalspannung ausreichend ist.
Mit SW 4 wird die Stromabsenkung aktiviert.

Konfiguration der leadshine-Endstufe DM422C mit der leadshine Software ProTuner:

 Zu diesem Tool gibt es ein sehr brauchbares Manual in Englisch. Damit gelingt die Anpassung an den jeweiligen Motor sehr leicht.
Zum Anschluss an den PC ist ein Spezialkabel notwendig, ggf. mit Umsetzer von RS232 auf USB virtual COM-Port.

Der nanotec Schrittmotor ST5909X2508 verträgt im seriell Betrieb 1,77A, für  die Drehscheibe ist 1A völlig ausreichend
Die Feinabstimmung zur Reduzierung der Resonanzneigung ist nicht notwendig.
Wichtig ist aber die Polarität der Taktimpulsflanke. Bei falscher Einstellung verliert der Motor bei jedem Richtungswechsel
1 Mikroschritt. Sorgfältige Kontrolle ist dringend geraten !


Das PC-Einstellprogramm für Windows XP mit .NET

Hier das Startfenster der Version mit Interfaceprotokoll für die Zentrale FCC mit 3 Byte und 230.4 kBd.
Aktuelle COM wählen und "Verbinden", dann entsprechende Meldung.



Der Decoder liest neben seiner Basisadresse auch stets den Kennungskanal SX-Adr 99 und vergleicht
den Lesewert mit  seiner Modulkennzifffer (default 111). Mit dem Button "Suchen" wird die eingestellte
Kennung auf K99 geschrieben. Der Decoder antwortet ggf. mit seinen Basiswerten auf den SX-Adressen
0 bis 3. Meldung " Drehscheibe mit Kennung xxx gefunden", der Decoder geht in den Programmiermode,
die Positionswerte des Decoders können abgerufen werden, die Listbox wird gefüllt. Weil der PC die
Werte einzeln abruft, dauert dies einige 10 Sekunden. Angezeigt werden die Positionen der Gleisanschlüsse
in Mikroschritten des Motors. Nicht verwendete Positionen werden mit dem Wert 20000 deaktiviert, die
Gleisanschlusssymbole werden nicht gemalt.

Die Bedienung der Drehscheibe im Programmiermode unterscheidet sich vom Normalbetrieb deutlich,
damit die Sollposition bequemer mit einem SX-Handgerät im Schaltmodus eingegeben werden kann:

1. Die schrittweise Verstellung der Drehscheibe gibt es NICHT !
2. Die eingestellte Positionsnummer wird erst wirksam, wenn auch das "Do It Bit" ( MSB Bit 8) Hi ist.
3. Die Position kann auch mit Click auf das gelbe Anschlusssymbol in der Grafik gewählt werden.
4. Der Button "Nr. und Wert anfahren" ist aktiv, d.h. neuer Wert auf gleicher Position wirkt wie Pos. wechsel.
5. Checkbox Rückwärts ist ab dem nächsten Click wirksam.

Die Positionswerte können in der grünen Textbox windowsüblich editiert werden.
Neue oder geänderte Positionswerte können mit " Positionswert auf akt. Index speichern" in den Decoder
übernommen werden.

Geänderte Adressen und Kennung werden nur mit dem roten Button "Speichern" im Decoder abgelegt.

Die maximale Drehgeschwindigkeit wird in "Max.Freq." in 10Hz Schritten eingestellt und ggf mit
"Speichern" dem Decoder mitgeteilt. Die Frequenz bezieht sich auf den Mikroschritt-Takt.
Beispiel:   0.9° Motor == 400 Schritte pro Umdrehung x 40 Mikroschritte pro Step = 800 Hz für
10 Sekunden für eine 180° Wendung, erfordert den Einstellwert 80.

Der Programmiermode des Decoders wird beim Beenden des Programms verlassen.

Die Projektdateien und Bezugsquellen maile ich gerne auf Anfrage.
Fotos der Drehscheibe auf:      http://www.steinharts-nbahn.de/nbahn/

Winfried Steinhart, im Januar 2012