Nゲージ用ポイントマシンを・・part2

先日、PICマイコンでタミヤの「ユニバーサルギヤーボックス」を使ってポイントマシンを作ろうとして検証してみた。
・・・・「Nゲージ用ポイントマシンを・・作りたい

手持ちの篠原のポイントは18個、それにトミックスのポイントを加えて20個くらいをスローアクションのものにしようとしていたが、トミックスのポイントはほぼ見えないところに配置することになりそう。
と、いうことで製作するポイントマシンの数は18個に決定。

ギヤーボックスが680円(定価)もするので、ポイントマシン1個あたりの単価は1,000円をちょっと切るくらいになりそう。
(配線用費用を除く。電源部は廃品利用。)
ポイント数は当初の予定より2個減ったものの18個ともなると18,000円程度に。
ウ~ム、市販品のPECOのものを使うと25,000円くらいになりそうなので、7,000円くらいと電気機関車1両買えるくらいの節約になりそうだが・・

じゃ、ステッピングモータならどうじゃ、と検証してみた。

ステッピングモータのテスト
使用したのはPIC16F1823。
その出力はトランジスタアレイTD62083APGを介してステッピングモータ・コパルSPG20-1362に。

このモーターは他の用途に8個ストックしておいたもの。

検証用のプログラムは単純に2相励磁となるように出力ポートに値をセットし、指定時間待って次の値をポートにセットするというもの。
c言語でのfor文。
待ち時間は__delay_us()を使用。

モータSPG20-1362は1回転/360ステップ。

検証の目的は・・このモータ、どのくらいの回転数がでるのか。
なにせ、シロート。モータのデータシートを見てもわからない(^^;

__delay_us()でパルス間隔の時間調整をしようとしているのだが、適当(いいかげんな)な値を設定しては気持ちよく回転してくれるか試してみる、の繰り返し。
で、脱調らしい兆候もなく一番回転数が高くなったと思われるのは__delay_us(2500)くらいだった。
2000μsecでは脱調気味、3000μsecだとちょっとスピードが落ちたかなという感じ。

ということで、一番速度がでていそうなのはパルス間隔2.5msecくらい。

配列に格納した値を指定の4ポートに設定できるようなunionを定義して1命令でセット。それをfor文で繰り返すのみ。
c言語のコンパイラは最適化をやってくれないfree版だけど命令サイクルにかかる時間はさほどかかっていないはず。

まあ、ざくっと1回転強/1秒。
60rpmから、よく回って70rpmというところだろうか。

正直言って、もうちょっと回ってくれよぉ~。
120rpm~130rpmは欲しいところ。

モータ・1個250円。
PIC16F1823・1個100円
トランジスタアレイTD62083APG・2個で100円。ただし、1個で2モータ分の回路がとれる。
つまり、実質1ポイントマシン当たり25円。
電気関係のパーツはここまでで電源部、配線コードをのぞき225円。
基板も1マシン分に換算すると50円程度で実現可能か。

ひとまず、このまま作業を続けることにする。

市販のギヤボックスは使用せず、モーター軸に直結させたネジにナットをつけて・・要はリニアステップモータのような形で実現することに。

軸の延長パーツを作る
モータの軸がφ3ということで、M3の真鍮製高ナットを加工。
20mmのナットの半分くらいを3mmのドリルでネジ山をさらい、モータ軸が入るようにする。

軸の延長パーツ
高ナットをモータの軸にはめ込み、根元にM2のすりわりビスで回り止め。

高ナットのもう一方の先にはM3のネジを挿入し、緩み止めのためナットで締めつける。
ネジの頭は切り取っておく。

移動子を作る
M3のネジの上を移動する移動子を作る。
10mm角のアルミの角材を20mm程度。
モータの軸から大きくハングさせると反対側を保持しておかないとプレてしまいそうなので、角材の半分はモーター軸にとりつけた真鍮高ナットの外にかぶさるように穴をあけておく。
残りの半分にM3のネジをきっておく。

中心はずれても構わないが、垂直に穴があいていないとネジの上を移動する時にブレてしまう。
試しに1つ、ボール盤で作ってみたがやはり穴が斜めになってしまった。

そのため、旋盤に4爪チャックを取り付けて加工。

移動子
ひとまず、予備も考慮して20個作ってみた。
20mmの長さにしたのは停止位置検出のスイッチを押したり、ポイントを動かすピアノ線をたてたりするため。

移動子・移動の状態
角材が軸と一緒に回転しないようにしておけば、モータの軸が回転すれば、角材が出たり入ったり。

写真上は角材がモータ軸の一番外れまで移動したとき。
写真下は角材がモータ側に移動したとき。

この角材にピアノ線をたててポイントを移動させるというもの。

角材、ピアノ線等の材料費1ポイントマシンあたりでも数十円程度か。

停止用のスイッチ、起動用のタクトスイッチなどの電気部品を入れても1ポイントマシンあたり350円程度で収まるはず。

ただ、問題はモータの回転速度が意外に遅いこと。

ポイントのトング部の移動量は2.5mmくらい。
モータ軸に取り付けたネジはM3、ピッチ0.5。
つまり、角材が2.5mm移動するにはモータが5回転する必要があるということ。
現段階ではモータは1回転強/1秒なので、ポイントが切り替わるまでに5秒もかかるということになる。

スローアクションを通り越して、スローモーションポイントになりそう・・

でも、安価に上げるためにはやむなし。

よし、これで本格的に製造じゃ~・・
ひとまず、このモータは別の用途のために秋葉の秋月で買ったもの。18個買い足さなきゃ・・・

電気パーツは秋葉、八潮の秋月で買うことが多いのじゃが・・
秋月のホームページで調べたらステッピングモータ・コパルSPG20-1362はすでに載っていなかった。
他を調べても・・ない。
アラッ、どないすっぺ~(T_T)

Nゲージ用ポイントマシンを・・作りたい

これから作る(予定の・・)レイアウトの篠原のNゲージ用ポイントを電動化することに。

katoやtomixのもののようにコイルに電気を流してバチッと切り替えるのも単純で確実に動作して安定性があって良いが、せっかくなのでモーターを使ってスローアクションのものをつくりたいなぁ、と。

ステッピングモータ、サーボモータ、直流モータなどが考えられるが、ポイントの数は約20個。
コスト的にも1個あたり数百円で抑えたい。
いろいろ考えてひとまず直流モータを使うことで進めることにした。
1.5Vから3Vくらいのものを使うつもり。

ポイント1個あたり1つのPICで定位と反位を切り替える。それらのPICマイコンの上位にはルートを制御するPICマイコンがいて必要なポイントをパタッ、パタッ、パタッと切り替えていくのを制御を行うというもの。
ちなみに、制御盤の準備もわずかながらも進みつつある。

個々のポイントを制御するPICマイコンはPIC16F1823(実売価格100円)、モーターの正転、逆転、スピードの制御はDCモータ用フルブリッジドライバTA7291P(実売価格2個で300円)を使うことに。

動作確認用LEDとそれにつける抵抗、停止位置を判定するスイッチなどを考えるとここでポイント1個あたり300円程度。
あとはモーターやギヤを考えるとすでに1ポイントあたり数百円で抑えたいという希望が消えていく~・・(^^;

まあPECOのポイントマシPL-10が1480円くらいだから、それより安くあがりゃぁいいか・(^^;

TA7291Pは1A(ピーク時2A)流せるので、その辺のちいさなモーターなら問題はなさそう。

ただ、データシートを見ると出力側の電圧は内部ロス(Vsat)を考えた電圧を印加せよということ、Vcc=12V、Vs=18V時の標準的なVsatやらVsatの最大値やらの表もある。
また、Vout≒Vref+0.7Vとの記載ある。

ウ~ム、言いたいことはわかった。

で、ワシが欲しい電圧はどうすれば出てくるんじゃ。ということでひとまず簡単なPICマイコンのプログラムを作ってみた。
基板上の回路はほぼ本番のものとして、モーター用の電源部のみをあとからなんとかする仕様。・・まぁ、ひらたく言えば行き当たりばったり・・

TA7291Pのテスト
試験開始。


解体したUSBハードディスクの電源部を使用して動かしてみる。


PICの電源は5V。
同じライン上から2.5V 0.5A出力の三端子レギュレータを介してモーター用電源を取得。

Vref、Vsともに三端子レギュレータの出力をそのままセットし、2.5V。
テスターで計っても入力側には2.5Vはかかっており、PICマイコンからの制御用信号も1(5V)と0(0V)とでTA7291Pに入力されているが、出力される電圧はテスターの針が微妙に動く程度。

いろいろと調べても一向に電圧がかかってこない。

ちなみに、ここで三端子レギュレータとGNDの間の2.5Vにモーターをつないで見るとモーターは回ったが、回り始めるその瞬間PICにリセットがかかるようだ。(LEDを点滅させて動作を確認していたため判明。)

本番ではもうちょっと容量の大きい電源を使用するつもりでいたが、やはり0.5Aのレギュレーターではちょっと無理っぽい。
それに、あわよくば、PICとモーターの電源も共有できればと思っていたが、案の定、世の中そんなに甘くない。

いずれにしても、Vref、Vsが2.5Vだと電圧は出力されないということけ!?


んじゃ、ということで試しに今度はモーター用電源にPICと同じラインから5VをとってVref、Vsに入れてみる。


と、今度はTA7291Pの出力に電圧がかかってきた。お~、ひとまずめでたしめでたし。

テスターで計ってみると入力ライン上の電圧5.4Vに対して、TA7291Pからの出力は4.8V
0.6Vの低下。結構大きい。

ただ、この電圧は高すぎてモーターは繋げない。


電源部にある12Vでも試してみる。


測定値は入力電圧11.8Vに対して、出力は10.8V
1Vの低下。


手近なところにあった3.3V1Aのアダプターで試してみる。


測定値は入力電圧3.3Vに対して、出力は2.8V
これなら使えそう。容量も1Aもあるんで大丈夫だろう。
ちなみに、本番では複数のポイントを切り替えるときでも一斉に動作させるのではなく1個の切り替えが終わって次の切り替えとする予定なので問題はないだろう。

タミヤの「ユニバーサルギヤーボックス」と「ウォームギヤーボックスHE」で実際にモーターを回してみる。。
「ウォームギヤーボックスHE」はいい感じで回ったのだが・・ちょっと大きいのでポイントマシンには不向き。さらに定価で980円。
ちょっと20個も用意できない。

本命の「ユニバーサルギヤーボックス」。
タミヤのギヤボックスの中では小型で定価も680円と一番安価。でも20個そろえると結構フトコロには痛いが。

ところが、こいつはギヤの噛み合わせが「ウォームギヤーボックスHE」に比べてちょっときつめで回らなかった。
モーター単体では回ったのだが、ギヤーの負荷がかかると2.8Vではつらいということらしい。。

以上で実験はおしまい・・では、「ユニバーサルギヤーボックス」は回せないで終わってしまう。

ここまでは、VrefとVsを同じにしてテストしてみたが、次はVresとVsを変えてみることに。


Vrefに2.5V三端子レギュレーターの出力を入れ、Vsに5Vラインを入れてみる。


測定値はVref2.8V、Vs5.3Vに対して、出力は2.8V
・・これじゃぁ、ユニバーサルギヤーボックスは回せん。


Vrefに3.3Vアダプター出力を入れ、Vsに5Vラインを入れてみる。


測定値はVref3.6V、Vs5.3Vに対して、出力は4.3V
データシートにあった「Vout≒Vref+0.7V」というあたりのことか。

ちょっと3Vが推奨のモーターに対しては電圧が高そうであるが試しにユニバーサルギヤーボックスを繋いでみる。

暴走気味に回るのかと思いきや、適度な感じ。

それより何度か試してみたが、グリスアップもせず当たりのでていないギヤボックスでは時手でアシストしないと回し始めないことも。

当初は電圧をPWMで制御してモーターの回転速度を変えられるようにして、ポイントの切り替え速度も調整できる仕様とする予定だったが、電圧が下がると起動できないんじゃないかというちょっとビミョーな雰囲気になってきた。

まあ、Nゲージのポイントのトングレールの移動量は2.5mm程度。
スローアクションといっても2.5mm程度しか移動しないんじゃぁ1秒足らず。
コイル式のように、バチッ、バチッと勢いよく切り替わらなきゃ「ヨシ」とするか!?
 
 
ここでも理想と現実のギャップ!?
 
 
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