Avertissement (amical) :

L'échelle utilisée est le Z, inutile donc de m'opposer des solutions de digitalisation, à moins que vous ayez une astuce pour loger un décodeur DCC dans une locomotive de la taille d'un morceau de sucre. Pour autant je ne souhaite pas en rester à l'usage du transformateur livré par Marklin avec ses boîtes de début et donc regarder ce qu'on pourrait faire avec un microcontrôleur comme l'Arduino.

Par ailleurs, la démarche étant pédagogique, il m'a semblé interessant d'imaginer un "rail pivotant" au croisement des deux voies des boucles de retournement. Ce "rail pivotant" évite un croisement par le dessus d'une des voies avec une pente très forte, et d'autre part il va permette d'aborder l'utilisation d'un servomoteur avec l'Arduino. Mais dans cet article je n'aborderai que la logique du "rail pivotant" et pas celle du servomoteur qui est plus classique et qui sera rédigée ultérieurement.

Merci de votre compréhension.

logique rail pivotant

Avec cette option de "rail pivotant" il y aura désormais 7 cantons sur le circuit, le rail sur un plateau tournant grâce à un servomoteur est le septième, il est alimenté et polarisé comme les 6 autres avec les mêmes équipements électroniques sous contrôle d'un Arduino.

Les tronçons ou demi cantons sont visibles sur ce schéma.

Les « demi cantons » 5/1 et 5/2 sont alimentés et polarisés ensemble.

Les « demi cantons » 6/1 et 6/2 sont alimentés et polarisés ensemble.

Il y a plusieurs possibilités :

  1. il y a un train qui rentre sur le demi canton 5/1 vers le canton 7,

  2. il y a un train qui rentre sur le demi canton 5/2 vers le canton 7,

  3. il y a un train qui rentre sur le demi canton 6/1 vers le canton 7,

  4. il y a un train qui rentre sur le demi canton 6/2 vers le canton 7,

  5. il y a un train sur le demi canton 5/1 s'éloignant du canton 7,

  6. il y a un train sur le demi canton 5/2 s'éloignant du canton 7,

  7. il y a un train sur le demi canton 6/1 s'éloignant du canton 7,

  8. il y a un train sur le demi canton 6/2 s'éloignant du canton 7.

Il y a une possibilité particulière qui est qu'il n'y a pas de train sur les cantons de retournement.

Admettons qu'il s'agisse de la situation initiale du logigramme.

En fait il suffit de connaître à ce moment-là la position du canton 7.

  • - soit il permet de joindre les demi cantons 5/1 et 5/2.

  • - soit il permet de joindre les demi cantons 6/1 et 6/2.

A la mise sous tension du circuit il faudra que le système aille « lire » la dernière position du canton 7.

Pour cela il faudra enregistrer cette position non pas en mémoire vive de l'Arduino qui est volatile et dont le contenu disparaît à l'arrêt de l'alimentation du micro contrôleur mais dans la mémoireEEPROM.

Logique de traitement :

Dès qu'un train est détecté en entrée sur un demi canton, quel qu'il soit, il faut que l'Arduino exécute certaines tâches sur le canton 7 (en dehors du positionnement face aux rails de sortie par un servomoteur, piloté par l'Arduino, et qui sera traité dans un autre document).

Cas du canton 5 :

Il y a un train qui rentre sur le demi canton 5/1 vers le canton 7, ou il y a un train qui rentre sur le demi canton 5/2 vers le canton 7.

Dans les deux cas l'Arduino doit :

  • - vérifier la position du canton 7, 

  • - le faire pivoter s'il y a lieu, 

  • - le polariser comme le sont les demi cantons 5/1 et 5/2, selon le sens de circulation du train.

Cas du canton 6 :

Il y a un train qui rentre sur le demi canton 6/1 vers le canton 7,il y a un train qui rentre sur le demi canton 6/2 vers le canton 7,

Dans les deux cas l'Arduino doit :

  • - vérifier la position du canton 7, 

  • - le faire pivoter s'il y a lieu, 

  • - le polariser comme le sont les demi cantons 6/1 et 6/2, selon le sens de circulation du train.

Cas de détection des trains s'éloignant du canton 7 :

Tant qu'un train est détecté sur un des demi cantons, ou sur le canton 7, la situation du canton 7 (position, alimentation, polarisation) reste inchangée et elle est même protégée par inhibition de toute action sur le servomoteur en particulier.

Rappel sur l'architecture matérielle du canton 7 :

L'alimentation de traction 12v commune aux 7 cantons 

alimentation 12V

Le module d'alimentation qui permet de choisir une vitesse du train sur ce canton adaptée à sa configuration mécanique particulière.

module alimentation

Le relais de coupure de tension 

relai coupure

Le relais inverseur de polarité de voie 

relai inverseur

Le module de mesure d'intensité de courant sur les voies (présence du train et coupe circuit) 

Capture décran 2020 05 03 à 10.26.35

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Tiny electric motor in a Z scale model locomotive

 

Nous avons vu qu'à partir d'une alimentation continue commune à l'ensemble du circuit avec un ampérage suffisant pour l'usage en nombre de trains, de cantons occupés, etc. on souhaitait "différencier" l'alimentation de chaque canton pour rendre les grandes fonctions comme la protection des convois, les boucles de retournement, etc. exploitables.

Nous allons utiliser des petits, peu coûteux mais robustes modules  d'alimentation LM 2596 pour, à partir de l'alimentation "centrale", nous permettre cette gestion "fine" des cantons.

module alimentation

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Ce module utilise un circuit intégré de Texas Intrument LM2596 qui est un régulateur de tension protégé contre les surtensions. Il va nous permettre de fixer, canton par canton, en fonction de la réalité du canton (ligne droite, pente, courbe, zone d'aiguille, etc.) la tension appliquée au moteur de la loco.

Dans notre cas, la tension d'entrée sera de 12v et à l'aide de la résistance variable par vis (bloc bleu sur l'image avec la petite vis sur le dessus) nous pourrons ajuster la tension de sortie.

Cela nous permettra d'ajuster par un essai en vraie grandeur sur le circuit, la tension sur le canton pour une circulation réaliste du train selon la pente, la courbe, la zone d'aiguilles, etc.

Caractéristiques techniques 

 Nom: module Buck DC-DC LM2596

Tension d'entrée: 4 V à 35 V
Tension de sortie: 1.23 V-30 V
Courant de sortie: 3A (maximum)
Efficacité de Conversion: 92% (maximum)
Ondulation de sortie: <30 mV
Fréquence de commutation 150 KHz
Température de fonctionnement:-45° + 85°
Taille: 43mm * 21mm * 14mm (longueur * largeur * hauteur)
La plage de tension d'entrée: 3.2 V à 40 V cc (la tension d'entrée doit être supérieure à la tension de sortie de 1.5 V ci-dessus),
La plage de tension de sortie: 1.25 V à 35 V tension réglable, haute efficacité (92%) de régulation, le courant de sortie maximal le plus élevé toléré est de 3 A, ce qui est suffisant pour une loco, toute échelle possible sur un seul canton.

Procédure proposée pour régler la tension de sortie (appliquée sur la voie) :

- Alimentation d'entrée dans notre usage à environ 12v, la led doit être allumée, le module fonctionne correctement,

 - Circuit sans charge (pas de loco), ajustez le bouton du potentiomètre bleu (dans le sens des aiguilles d'une montre, il augmente la tension de sortie, il la diminue dans le sens antihoraire). Un voltmètre est utile pour ajuster la tension de sortie requise.

 - Circuit avec charge (loco sur les rails), ajustez le bouton de potentiomètre bleu (dans le sens des aiguilles d'une montre, il augmente la tension de sortie, il la diminue dans le sens antihoraire). Vérifier si la tension préalablement fixée assure un bon fonctionnement de la loco. Si la vitesse de déplacement est trop ou pas assez rapide à votre sens, ajuster la.

Remarque :

Il est recommandé d'utiliser sur une période assez longue le module car en fonctionnement la température du LM 2596 s'accroit et la tension de sortie peut légèrement changer, de même qu'en roulant les caractèristiques du moteur en charge sur le canton peuvent aussi varier.

Dans ce cas, il convient peut être d'ajuster à nouveau la tension de sortie toujours en gardant le différentiel minimum de 1.5 V entre la tension d'entrée et de sortie.

Avertissement (amical) : L'échelle utilisée est le Z, inutile donc de m'opposer des solutions de digitalisation, à moins que vous ayez une astuce pour loger un décodeur DCC dans une locomotive de la taille d'un morceau de sucre. Pour autant je ne souhaite pas en rester à l'usage du transformateur livré par Marklin avec ses boîtes de début et donc regarder ce qu'on pourrait faire avec un microcontrôleur comme l'Arduino. Merci de votre compréhension.

 

Tiny electric motor in a Z scale model locomotive

 

Nous avons vu que nous allions gérer canton par canton l'alimentation de notre circuit. 

 

Nous allons aborder un élément majeur de cette chaîne qui est le Max 471.

Capture décran 2020 05 03 à 10.26.35

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 Plage de tension d'essai: DC3-25 V pour un Arduino alimenté en 5 V

Plage de courant d'essai: DC 0-3A

Les puces AVR Arduino ont un codage en entrée analogique sur 10 bits, donc ce module présente une résolution de 0.00489 V (5 V/1023), donc le pas de tension est 0.00489Vx5 = 0.02445 V

Ce composant est capable, associé à un microcontrôleur comme l'Arduino, de fournir une mesure de l'intensité d'un circuit électrique et la mesure de la tension délivrée à un instant donné. 

Pour ce qui nous concerne, et avant de voir comment nous allons procéder, essayons de définir la charge que représente un moteur de locomotive miniature.

Toutes les équations que vous trouverez ici sont formulées pour des grandeurs exprimées dans unités du système international.

Les moteurs à courant continu qui équipent nos locos ont l'avantage de se modéliser simplement. Tout leur comportement est régi par quelques équations simples, et ne découle que de quelques constantes caractéristiques.

 

ModMot

 

Le schéma ci-dessus représente une modélisation électrique simplifié du moteur (partie encadrée), alimenté par un générateur de tension U, son fonctionnement est régi par quelques règles simples :

- Le couple moteur est proportionnel à l'intensité du courant qui le traverse (à noter qu'une partie de ce couple est utilisée pour vaincre les frottements internes et pertes diverses),

- Le coefficient de proportionnalité est la constante de couple KC,

- Le schéma électrique équivalent du moteur comprend en série une résistance Rs et un générateur développant à ses bornes une f.c.e.m (force contre-électromotrice) proportionnelle à la vitesse,

- Le coefficient de proportionnalité est égal à la constante de couple KC introduite ci-dessus.

- Quant à la résistance Rs, elle représente principalement la résistance ohmique de l'induit et dans une moindre mesure la résistance de contact balais-collecteur. Il est permis d'y intégrer également d'autres pertes, comme celles dues à la commutation du collecteur.

Avec KC et RS, nous avons introduit les deux constantes les plus importantes du moteur.
La conclusion est que notre moteur n'est pas une résistance ohmique pure, mais que la pente, les frictions mécaniques en courbe, la charge à tracter imposée à la locomotive vont influer, à tension constante appliquée sur la voie,  sur l'intensité consommée.
 
Vous trouverez en cliquant sur ce lien une étude extrémement bien faîte de monsieur P. Béraud.
 
Dans notre cas d'utilisation nous n'avons pas à construire un ampéremètre, nous devons juste acter de trois états :
 
- il n'y a pas de "consommateur de courant" sur la voie observée,
- il y a un "consommateur de courant" sur la voie observée, mais la consommation est en dessous d'une valeur qui, si elle était maintenue, annoncerait un risque pour le moteur,
- il y a une consommation qui est au dessus d'une valeur et qui, si elle est maintenue, va détruire le moteur.
 
Ceci étant établi, voyons le fonctionnement du composant lui-même.
 
 
Capture décran 2020 05 03 à 10.32.30
 
Dans notre cas nous n'utiliserons que la borne "AT" du circuit car seul le suivi de l'intensité délivrée nous préoccupe.
 
Avec un petit circuit d'essai en ovale, au moins une locomotive de votre parc analogique, une alimentation continue qui convient, vous pourrez facilement déterminer ces valeurs de seuil en faisant quelques tests avec votre ou vos échelles ferroviaires pratiquées.
 
En inclinant l'ovale sur un de ses axes, vous introduirez une pente qui vous permettra de consolider votre connaissance de ce capteur.

Il sera interessant d'échanger entre nous sur ces différents tests pour proposer à la communauté ces valeurs de seuil.

Pour ma part, je place une led et une résistance de 1kOhm entre les deux rails pour assurer un minimum de consommation de courant en l'absence d'une loco. Cela donne une première valeur lue non nulle qui valide le montage.

Nous aurons trois valeurs à veiller :

  1. valeur1, juste la résistance et la led,

  2. valeur2, une loco qui roule sans problème,

  3. valeur3, dépassement par court circuit.

Et comme action pour la valeur 3, la coupure de l'alimentation du canton. 

Vous pouvez, après avoir enlevé la loco,  placer sur une sortie de l'Arduino un relais de coupure de l'alimentation pour tester en toute sécurité la protection contre un court circuit.

Les valeurs 1 et 2 sont objectives, car elles sont fonction de valeurs lues. La valeur 3 est subjective, c'est l'idée que vous vous faîtes d'une valeur de court circuit sur votre réseau selon votre expérience.

 

Voici le petit bout de code Arduino qui conviendrait à ces tests :

// test MAX471 pour la détection d'une loco et l'alerte sur court circuit

#define AT_PIN A1 // la broche AT du MAX sur la broche analogique 1 Arduino

#define LED_BLANCHE D1 // led blanche sur sortie digitale 1 Arduino

#define LED_BLUE D2 // led blue sur sortie digitale 2 Arduino

#define LED_ROUGE D3 // led rouge sur sortie digitale 3 Arduino

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

//

pinMode (LED_BLANCHE, OUTPUT) ;

pinMode (LED_BLUE, OUTPUT) ;

pinMode (LED_ROUGE, OUTPUT) ;

int valeur1= 0 // valeur allouée à la consommation sans loco avec led et résistance

int valeur2= 10 // valeur allouée à la consommation avec loco 

int valeur3= 100 // valeur allouée à une situation de court circuit

}

void loop()

{

int intensite_lue = analogRead(AT_PIN); // mesure de l'intensité

float courant = intensite_lue * (5.0 / 1024.0); // valeur vraie de l'intensité

  

// visualisation de la valeur de l'intensité utile en phase de test

  Serial.print("\tAmps: ");

  Serial.print(courant,3);

  Serial.println();

}

// comparaison à des seuils déterminés par la campagne de tests 

if (analogRead(AT_PIN) > 0 || courant < 10) 

{

digitalWrite (D1, HIGH) //j'allume une led blanche canton alimenté sans loco dessus ;

}

else (analogRead(AT_PIN) > 10 || (analogRead(AT_PIN) < 100)

{

digitalWrite (D2, HIGH) //j'allume une led blue canton alimenté avec loco dessus

}

else (analogRead(AT_PIN) > 100) 

{

digitalWrite (D3, HIGH) //j'allume une led rouge court circuit

// je coupe l'alimentation du circuit par action sur l'état du relai de coupure 

}

 
 
 
 
 

Avertissement (amical) : L'échelle utilisée est le Z, inutile donc de m'opposer des solutions de digitalisation, à moins que vous ayez une astuce pour loger un décodeur DCC dans une locomotive de la taille d'un morceau de sucre. Pour autant je ne souhaite pas en rester à l'usage du transformateur livré par Marklin avec ses boîtes de début et donc regarder ce qu'on pourrait faire avec un microcontrôleur comme l'Arduino. Merci de votre compréhension.

 

Tiny electric motor in a Z scale model locomotive

 

La plupart d'entre nous utilisons une alimentation analogique commune à l'ensemble des cantons avec une mesure de la consommation de courant sur chacun d'entre eux pour signaler la présence d'une locomotive et d'un wagon avec éclairage. Cette mesure en "tout ou rien" est effectuée par un pont de diodes qui garantit son fonctionnement quelle soit la polarité appliquée sur la voie, un optocoupleur pour isoler la prise de mesure du système de contrôle qui peut être une commande de relais en direct ou une entrée d'un microcontrôleur comme l'Arduino.

Ce montage, largement connu et documenté, a fait ses preuves et en lui-même il est satisfaisant. Ma démarche n'est pas d'en remettre en cause l'utilité mais d'essayer de proposer une solution plus complète à moindre coût, et accessible au plus grand nombre.

Pour ceux qui ne souhaitent pas utiliser de microcontrôleurs comme l'Arduino, il y a bien sûr, c'est ce que j'imagine, la possibilité de réaliser ce qu'on appelle une "logique câblée" sur les mêmes bases techniques.

Mais ici je développerai la solution utilisant un Arduino parce que le projet Locoduino a fait la preuve depuis des années de son utilité en digital. Le projet Analogduino est pour ceux qui ont un parc de locomotives qui par construction ou pour un coût trop elevé ne seront pas digitalisées, avec le même degré d'exigence qualité.

Les objectifs que je me suis fixés pour cette alimentation analogique contrôlée par un microcontrôleur vont être décrits maintenant et détaillés point à point dans différents articles.

Notez bien qu'à l'heure où j'écris ces lignes j'ai déjà mis en oeuvre et testées toutes les technologies décrites, que ce que j'écris est libre de diffusion, et que bien sûr toute la démarche est faîte pour qu'ensemble nous puissions progresser. Vos conseils, avis, critiques sont les bienvenus.

Voici les objectifs fixés :

- détection de la consommation de courant dans le canton,

- coupure automatique de l'alimentation du canton en cas de court circuit,

- inversion automatique de la polarité de la voie du canton DEVANT celui où circule le train si celle-ci n'est pas identique, et donc pilotage automatique des boucles de retournement "par le train qui roule",

- mise en oeuvre simplifiée du cantonnement par coupure automatique de l'alimentation du canton DERRIERE celui où roule le train,

- mise en oeuvre simplifiée des feux de signalisation en relation avec le plan de roulement des trains,

- gestion simplifiée des annonces vocales en relation avec le plan de roulement des trains,

- vérification automatique de la position des aiguilles DEVANT le train qui roule,  protection automatique des aiguilles abordées par le talon par deux trains en approche d'une même aiguille, inhibition de toute commande par l'opérateur pour un changement d'orientation d'une aiguille lorsqu'un train est en approche immédiate,

- pilotage complet du circuit par tablette, sans connaissance particulière d'un quelconque langage informatique en dehors des commandes propres à l'Arduino. 

120x60 documenté variables

Il y a 6 cantons que, partant du canton 1 à l'initialisation du circuit, le train peut aborder en séquence.

Chaque alimentation séparée comporte certains modules électroniques pour pouvoir « piloter » :

- la mise sous tension du « canton devant » celui où est le train et où il va se rendre soit automatiquement (cas de l'aiguille prise par le talon) soit sur décision de l'opérateur (cas de l'aiguille prise par la pointe),

- la polarité des rails « du canton devant » pour respecter la norme NEM 631 et le sens actuel de la circulation du train (horaire ou anti-horaire),

- la mise hors tension du canton en cas de court circuit par l'observation d'un seuil maximum d'intensité.

L'architecture matérielle est donc :

- une source 12 v continue « générale » pour l'ensemble des modules d'alimentation de cantons (et accessoirement des Arduino),

- un jeu de 7 modules d'alimentation pour fournir la tension de traction à chaque canton,

- un jeu de 7 relais « On/Off » pour l'application ou non de la tension sur chaque canton,

- un jeu de 7 relais « inverseurs de tension » sur chaque canton,

- un jeu de 7 « limiteurs de courant » pour éviter les court circuits de voie sur chaque canton,

Voici cette architecture matérielle (chaque module aura sa "fiche technique") :

L'alimentation générale 12v :

alimentation 12V

Vous pouvez bien sûr avoir une autre alimentation 12 v pour cet usage, ce modèle est celui que j'utilise.

Les modules d'alimentation de chaque canton :

module alimentation

Les relais de coupure de tension :

relai coupure

Les relais inverseur de polarité de voie :

relai inverseur

Les modules de mesure d'intensité de courant sur les voies (présence du train et coupe circuit) :

 ampermètre

Le schéma général serait le suivant :

L'Arduino contrôle en amont à tout moment la mise sous tension et la coupure d'alimentation de chaque canton par cette première chaîne :

Capture décran 2020 05 07 à 14.27.42

L'Arduino, dès que la chaîne précédente délivre le courant de traction, contrôle à tout moment l'intensité de courant dans le canton et l'inversion de polarité de la voie et peut en cas de court circuit protéger le moteur de la locomotive.

Capture décran 2020 05 07 à 14.49.23

L'architecture logicielle comporterait donc en première analyse en terme de données en entrée :

globalement la connaissance par le logiciel de l'état du canton en service et de l'état du canton devant le canton en service,

-la connaissance par le logiciel de la valeur d'état des polarités des voies, pour connaître par déduction la valeur d'état du sens de circulation du train, pour le canton en service et par extrapolation du canton devant celui en service,

-la connaissance par le logiciel de la valeur en intensité du courant de traction d'une locomotive sur le canton alimenté, et la coupure à tout moment de la tension de traction à cause d'une surintensité ou sur action sur la télécommande infrarouge par l'opérateur (coupure d'urgence),

- la connaissance de l'orientation des aiguilles et le maintien en mémoire non volatile de ces données de positionnement.

Voila donc le projet Analogduino.

logique rail pivotant

Avertissement (amical) : L'échelle utilisée est le Z, inutile donc de m'opposer des solutions de digitalisation, à moins que vous ayez une astuce pour loger un décodeur DCC dans une locomotive de la taille d'un morceau de sucre. Pour autant je ne souhaite pas en rester à l'usage du transformateur livré par Marklin avec ses boîtes de début et donc regarder ce qu'on pourrait faire avec un microcontrôleur comme l'Arduino. Merci de votre compréhension.

 

Tiny electric motor in a Z scale model locomotive

 Il s'agit donc d'un projet pédagogique combinant l'analogique ferroviaire et l'Arduino, devant atteindre la même qualité de service qu'un circuit DCC. 

 L'échelle choisie est le Z (mais l'étude est vraisemblablement transposable à d'autres échelles), la base matérielle est Marklin. L'emprise au sol est d'environ 60 x 150 cm.

Les technologies suivantes ont vocation à être mises en œuvre :

- gestion de la conduite globale d'un train par mesure de la consommation de courant de traction et plus finement par la gestion en position du train sur un canton par détection laser,

- gestion du sens de circulation des trains par suivi de la polarité de voie selon NEM 631,

- gestion des aiguilles en mode assisté ou en mode commandé par l'opérateur, selon la prise en talon ou en pointe,

- gestion de deux boucles de retournement en mode automatique,

- gestion d'un rail de raccord mû par un servomoteur au lieu d'un franchissement par une voie supérieure au niveau du croisement des deux boucles de retournement au centre du circuit,

 - gestion de l'état initial des aiguilles et des trains, et du sens horaire de parcours des trains,

- initialisation de la liaison de la télécommande infrarouge et attente de l'ordre de lancement de l'automate,

- gestion d'annonces sonores,

- gestion d'un TCO physique et/ou d'une tablette.

Cette étude, bien que certains points techniques soient déjà pris en compte dans le projet DCC Locoduino, est sur certains points une démarche innovatrice. Elle est surtout conduite pour ceux qui disposant d'un parc de locomotives en analogique ne peuvent ou ne veulent pas passer au tout digital, sans perdre pour autant l'apport des nouvelles technologiques, comme l'Arduino, l'infrarouge, le laser, le bluetooth,etc.

L'impossibilité potentielle pour l'usager isolé ou pour un club de pouvoir réaliser des circuits imprimés, impose que certaines technologies soient écartées comme les transistors MOS au profit de relais mécaniques classiques. Le logiciel développé sera fourni librement à la demande, mais ne sera pas l'objet d'une formation particulière.

Il a été convenu avec l'association ACMF que l'électronique serait « en surface » pour pouvoir servir de support pédagogique lors d'une éventuelle présentation de la maquette sur le stand d'un salon.

L'aspect « diorama » ne sera donc pas travaillé ou alors « à minima », l'accent étant mis sur les technologies mises en oeuvre.

20191105 153301