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Montage du moteur pas à pas sous le pont tournant

Jean-Luc — 2014-05-24T07:47:17Z

Le montage est atypique. En effet, au lieu de séparer la partie mécanique de la partie électronique, j'ai choisi d'utiliser la carte électronique comme support du moteur. Une plaque époxy de 1,6mm d'épaisseur a une rigidité suffisante pour supporter les 260g du moteur.

Voici vu en coupe le montage de la motorisation et de l'électronique sous le pont.

Montage du moteur et de l'électronique de commande sous le pont PECO NB-55

La roue codeuse

Comme expliqué dans « Détection du zéro du pont tournant » le moteur présente 100 positions distinctes qu'il faut être capable de reconnaître. La roue codeuse est un disque comprenant 7 cercles concentriques. Chacun de ces cercles correspond au codage d'un bit de la position du moteur. Une zone blanche correspond à un 0 et une zone noire à un 1. Pour une position angulaire données, la roue codeuse présente donc aux capteurs 7 bit permettant de coder en binaire la position de la roue et donc du moteur.

Il existe des logiciels permettant de dessiner automatiquement une roue codeuse. Malheureusement il ne permettent souvent que de coder un nombre de positions en puissance de 2. Ils ne prennent pas non plus en compte certaines subtilités de dessin ou la compensation de certaines erreurs.

La roue codeuse servant à relever la position absolue du moteur

En effet, sur la carte prototype, les composants ont leur centre géométrique aligné sur le rayon de la roue codeuse. Mais leur centre optique, c'est à dire l'endroit du composant où sont disposés la LED IR et le phototransistor, est décalé. Ceci est indiqué sur la datasheet du EE-SY193. Or, le cercle le plus à l'intérieur de la roue codeuse présente des zones noires ou blanches de largeur inférieure à la largeur du composant. Pas conséquent le centre optique tombe assez proche du bord de la zone, ce qui peut entraîner des lectures erronées. Il est donc nécessaire de décaler l'angle du 0 des cercles selon leur position pour recentrer la zone qui code le bit sur le centre optique du capteur.

Le moyeu de fixation sur l'axe du moteur pas-à-pas

À cet effet, j'ai donc écrit un programme en C qui génère un fichier source LaTeX/Tikz contenant les commandes graphiques de dessin de la roue. pdfLaTeX génère un document PDF à partir de ce fichier source.

La roue codeuse est imprimée sur du papier et collé sur un disque découpé dans de l'époxy 1mm d'épaisseur. Le disque est fixé sur l'axe du moteur au moyen d'un moyeu Pololu pour arbre de 5mm référence 1998.

La roue codeuse en place sur le moteur

Ce moyeu est muni d'une vis de blocage dont l'extrémité est plate. Afin de garantir un blocage plus durable, elle a été remplacée par une vis de blocage d'extrémité pointue.

L'embase du pont

L'embase est en contreplaqué de 5mm. Elle est formée d'un disque et d'un anneau soutenant le pourtour du pont PECO dont la fosse présente une pente. Cette pièce a été tournée à la perceuse. Deux disque de CTP ont été grossièrement découpés puis collés ensemble en ne mettant de la colle que sur l'extérieur et sur une largeur correspondant à la largeur de l'anneau.

La plaque d'embase du pont côté pont

Ensuite, la pièce a été tournée pour la rendre parfaitement circulaire et la partie centrale du disque a été retirée en creusant un sillon avec la pointe d'une rape. Le centre a ensuite été évidé pour laisser passer le moyeu de fixation du pont.

La plaque d'embase du pont côté électromécanique

Il reste maintenant à programmer l'Arduino pour permettre une rotation à la demande et le réglage des positions correspondant aux voies de sortie.

La carte de commande de pont tournant version Arduino (2)

Jean-Luc — 2014-02-06T19:40:00Z

Le montage de la motorisation sous le pont est atypique. En effet, au lieu de séparer la partie mécanique de la partie électronique, j'ai choisi d'utiliser la carte électronique comme support du moteur. Une plaque époxy de 1,6mm d'épaisseur a une rigidité suffisante pour supporter le poids du moteur et comme on le verra dans l'article suivant, la hauteur du pont est réglable.

La carte doit s'inscrire dans le cercle du pont tournant PECO NB-55. Le diamètre externe de la fosse est de 154mm. La dimension choisie est de 132mm x 80mm, ce qui correspond à une diagonale de 154mm en limant un peu les coins. Ces dimensions permettent de placer un Arduino Nano entre le petit côté et le moteur pas-à-pas ou bien, pour la version PIC + CAN pour mon réseau, un PIC en boîtier DIP 28 broches comme le 18F26K80 et le transcepteur CAN. Elle permet aussi d'utiliser une roue codeuse de grand diamètre sans placer les capteurs sur une diagonale.

Implantation des composants

Vu côté composants, avec l'alimentation et la DRV8824 en haut et l'Arduino Nano en bas, la partie commande et l'alimentation sont placées à gauche, la partie relais pour l'alimentation traction et les capteurs de position sont placés à droite.

Carte vue côté composants et Arduino

Lors du montage du prototype, il est apparu que le connecteur d'alimentation de la DRV8824, en haut à gauche sur la photo, était mal placé. En effet, la prise qui vient se brancher dans le connecteur dépasse un peu côté cuivre et gêne le mouvement de la roue. Une pièce d'époxy de 1mm d'épaisseur vient donc s'insérer sous le connecteur sur la carte prototype. Dans la version définitive, le connecteur sera déplacé sur le petit côté de manière à ne pas gêner la rotation de la roue codeuse.

Supports de la DRV8824 et de l'Arduino Nano

Les deux modules sont montés sur des barrettes à broche femelle. L'espacement entre la carte et les modules est assez important, presque 10mm, et permet de monter des composants sous les modules. Cette caractéristique est assez peu exploitée sur la carte prototype mais pourrait permettre une conception plus compacte en implantant les transistors de commande des relais et des capteurs ainsi que les résistances sous l'Arduino Nano.

Carte vue côté composants et DRV8824

Les capteurs IR par reflexion

Les capteurs sont les OMRON EE-SY193 déjà présentés. Ces capteurs sont en boîtier CMS et soudés côté cuivre. Contrairement à des composants ordinaires qui peuvent être soudés un peu n'importe comment pourvu qu'électriquement tout soit correct, ces capteurs doivent être soudés à leur emplacement précis afin d'être bien alignés au centre des zones noires et blanches de la roue codeuse.

Carte vue côté cuivre

La technique pour souder correctement et rapidement ces composants consiste à les coller à la colle en bombe sur une barre de largeur équivalente à celle du EE-SY193. En l'occurrence, une barre en laiton 3mm x 2mm a été utilisée. L'empreinte des composant est imprimée sur une feuille et collée sur la barre. La barre est ensuite passée à la colle en bombe puis les composants sont disposés à la brucelle.

Positionnement des capteurs sur leurs empreintes

Il suffit ensuite de retourner et positionner l'ensemble sur la carte et de le maintenir avec une pince. Les deux mains restent libres pour les soudures.

Positionnement de l'ensemble sur la carte en vue du soudage

Soudage des capteurs

Les premier essais ont montré un fonctionnement tout à fait satisfaisant de la commande du moteur. Notamment, le moteur ne rayonne pas au point de perturber l'électronique. La résistance en série avec les LED IR des capteurs ayant été mal calculée (180Ω au lieu des 90Ω indiqués dans « La carte de commande de pont tournant version Arduino (1) »), le niveau bas, obtenu pour les zones blanches, était insuffisant car le faisceau IR incident était trop faible et engendrait parfois des lectures erronées. La qualité de réalisation de la première roue codeuse était également insuffisante [1]. Le remplacement de la résistance de 180Ω en série avec les LED IR par une résistance de 100Ω a résolu les problèmes de niveau bas.

Le prochain article traitera du montage de la motorisation sous le pont tournant.

[1] Ce point sera traité dans le prochain article

La carte de commande de pont tournant version Arduino (1)

Jean-Luc — 2014-01-22T18:21:20Z

Comme indiqué dans « Une carte Arduino pour le pilotage du pont tournant », j'ai conçu deux cartes de pilotage du pont tournant. La première, qui est décrite ici, intègre un Arduino Nano et une DRV8824 et est destiné à une commande manuelle. Par manuelle, j'entends que l'utilisateur, après avoir programmé quelles sont les positions correspondant à une voie, utilise des poussoirs pour demander l'alignement avec la voie correspondante.

L'alimentation

La carte est alimentée en 12V continu. Le courant nécessaire ne dépasse pas les 500mA. On trouve facilement de petites alimentations industrielles à découpage pour une quinzaine d'Euros.

Cette tension passe par une diode de protection. Cette diode, une 1N4007, évite de détruire l'électronique par un branchement inversé de l'alimentation.

On trouve ensuite le schéma classique des composants autour du régulateur 7805 : deux condensateurs, un électrochimique de 470µF destiner à filtrer les basses fréquences et notamment le pic de la mise sous tension et un polyester de 100nF destiné à filtrer les hautes fréquences. Le 7805 lui même qui, à partir du 12V rectifié, fabrique le 5V d'alimentation de l'Arduino Nano et des LED témoin. Enfin, deux condensateurs en sortie, un électrochimique de 47µF pour le filtrage basse fréquence du 5V et l'autre de 100nF pour le filtrage haute fréquence.

On peut noter que sur le schéma, le boîtier du moteur pas-à-pas qui est fixé à la carte est relié à la masse pour constituer une cage de Faraday et limiter l'émission de rayonnement électromagnétique issu du moteur.

Alimentation de la carte

La tension de 12V, rectifiée par la diode et appelée VMOT, sert directement pour l'alimentation moteur de la DRV8824, pour l'alimentation des bobines de 2 relais donc la fonction est décrite plus loin et pour l'alimentation des diodes IR des capteurs. Cette diode engendre une chute de tension de 1V. VMOT est donc de 11V et il faut en tenir compte. Ce n'est pas un problème pour les relais qui collent à partir de 9,6V maximum ou pour le moteur pas-à-pas car avec les courants employés, environ la moitié de ce que consomme le moteur sous 12V, il y a de la marge. Par contre, le calcul du courant dans les diodes IR doit être effectivement fait avec une alimentation de 11V.

L'intégration de la DRV8824

Le montage est repris de l'expérimentation sur breadboard. Les broches qui nous intéressent sont le RST (reset) qui permet d'initialiser la DRV8824 par programme, DIR qui permet de fixer la direction de rotation, STEP qui permet de franchir un micropas à chaque transition de l'état bas à l'état haut et FAULT qui permettra au programme de diagnostiquer un problème sur la DRV8824. SLP est fixé à 5V pour que la DRV8824 ne soit jamais endormie, EN est laissé en l'air pour la même raison. Les broches M0, M1 et M2 sont reliées à 5V via un DIP-switch. Ceci n'est pas très utile car le mode 32µPas sera toujours sélectionné mais j'avais des DIP-switch 3 interrupteurs en stock. Le rôle de chacune de ces broches est décrit plus précisément dans l'article sur de la DRV8824.

Schéma d'intégration de la DRV8824

L'intégration de l'Arduino Nano v3.0

L'Arduino Nano v3.0 est une des incarnations de la famille Arduino. Il est équipé du micro-contrôleur AT-Mega 328. Il s'agit en fait d'une breakout board de 30 broches permettant le montage sur une breadboard mais aussi sur un support. C'est donc un bon choix pour intégrer un Arduino sur une carte de votre conception. Le Nano dispose de 14 entrées/sorties numériques et de 8 entrées analogiques dont 6 peuvent être aussi utilisées en entrées/sorties numériques. Il dispose également d'une prise mini-USB pour le téléversement et la console. Il peut être alimenté via l'USB, via son entrée VIN et son régulateur intégré ou via l'entrée 5V [1]. J'ai choisi de l'alimenter via le 5V et de laisser VIN en l'air.

Schéma d'intégration de l'Arduino Nano v3

TON et REVERSE sont les commandes des relais, STEP et DIR permettent de piloter le moteur pas-à-pas, RESET_DRV permet de faire une remise à 0 du DRV8824, FAULT permet de détecter d'éventuelles erreurs sur ce même DRV8824, ENABLE_C active les capteurs de positions, enfin, b0 à b6 sont les 6 bits lus des capteurs de position.

Les capteurs de position

Il s'agit du capteur OMRON EE-SY193 déjà présenté. Les LED IR des capteurs sont placés en série. La tension de seuil typique avec un courant de 25mA est d'environ 1,25V. 7 capteurs en série donne donc une tension de seuil totale de 8,75V. Par conséquent, sous 11V, la résistance de limitation du courant doit avoir une valeur de (11 - 8,75V) / 25mA = 90Ω.

Les LED IR des capteurs ne sont pas alimentées en permanence mais mises sous tension par programme. Ceci permet d'augmenter la durée de vie du capteur qui n'est utilisé que rarement [2]. À cet effet, un transistor NPN est mis en série avec les LED IR et sa base est attaquée par la sortie D8 de l'Arduino au travers d'un résistance de 10kΩ.

Les phototransistors sont montés en émetteur commun. L'émetteur est à la masse et le collecteur est tiré à 5V par une résistance de 3,3kΩ établissant un niveau haut au niveau du collecteur lorsque la surface en vis-à-vis du capteur est noire. Lorsque le phototransistor est passant de par la présence d'une surface blanche, le collecteur est au niveau bas.

Schéma du capteur de position

Les relais d'alimentation traction et d'inversion de marche

On se place dans le cas d'un réseau analogique. Par sécurité, on peut souhaiter couper l'alimentation traction lorsque le pont n'est pas aligné sur une des voies de sortie. À cet effet, un relai DPDT est intercalé entre l'alimentation du pont et l'alimentation traction. D'autre part, le pont peut aussi opérer une inversion de marche lors du passage d'une position à une autre. Un second relai DPDT permet de décider du sens de marche. Une inversion de marche mécanique est prévue sur le pont PECO NB-55 mais peut s'avérer peu pratique.

Schéma des relais traction

La commande de ces relais est classique. Un transistor permet de commander le relai et une diode roue libre absorbe le courant résiduel de la bobine du relai. Les résistances 47kΩ assurent que le transistor reste bloqué à la mise sous tension alors que le micro-contrôleur ne pilote pas encore les bases des transistors.

[1] qui peut être une sortie si VIN est utilisé

[2] Si on considère qu'il faut moins d'une milliseconde pour lire les capteurs, que le temps minimum entre deux lectures est le temps nécessaire pour avancer de 128µPas, soit plus de 2,3s, les capteurs ne sont utilisés que 1/2300e du temps

Le pont tournant PECO NB-55 (1)

Jean-Luc — 2014-01-11T13:22:45Z

Pour construire le pont tournant du dépôt de Messingrohrstadt j'ai décidé de partir du kit proposé par PECO. En effet, l'offre de pont tournant en N, c'est à dire le modèle proposé par Fleischmann et le modèle Arnold que l'on trouve facilement d'occasion, est plutôt axée sur des grands dépôts avec des longueurs de pont de 180mm et plus, soit 28m. Ces grands ponts ne conviennent pas pour le modeste dépôt de mon réseau.

D'autres sociétés proposent des ponts de plus faible longueur mais je trouve l'absence de fosse peu esthétique. Ils sont aussi légèrement trop courts [1]. Le prix n'est pas non plus négligeable mais la motorisation est comprise [2].

Le pont PECO fait 151mm de longueur soit un pont de 24m à l'échelle. Il présente également l'avantage d'être bon marché.

Contenu du kit

Le pont PECO est livré en kit. L'assemblage est aisé et ne demande de coller que quelques pièces. La notice est tout à fait claire mais majoritairement en anglais. Le kit contient :

la fosse du pont moulée en plastique beige clair avec le rail de guidage et de support des extrémités du pont ;
2 rails code 80 ;
2 pièces en laiton à insérer au fond de la fosse, emplacement masqué par le pont, pour permettre l'alimentation des rails du pont ;
4 pièces en laiton et 2 ressorts pour construite les frotteurs : d'un côté le contact est établi avec les rails et de l'autre avec les pièces au fond de la fosse, le tout en maintenu en contact par les ressorts ;
Du fil électrique pour raccorder l'alimentation traction ;
3 pièces en plastique pour construire l'embase du pivot sous le pont.

Ainsi que :

la plateforme du pont ;
les flancs ;
les rambardes.

Quelques prises de mesure

Avant d'acheter ce kit, j'ai désespérément cherché sur le Web les dimensions précises de l'appareil car quand on dessine un réseau ce genre d'informations est nécessaire. En vain. Voici donc ces dimensions en espérant qu'elles vous servent.

Dimensions de la fosse du pont tournant PECO NB-55

Finesse de gravure, améliorations possibles

La gravure n'est pas extrêmement fine mais acceptable. Le rendu du bois sur la plateforme est correct, la gravure des pierres sur le rebord de la fosse aussi.

Toutefois la paroi de la fosse est lisse. Il est toujours possible de la graver en pierres hexagonales comme le rebord de la fosse mais cela représente un gros travail.

Un alternative consisterait à coller une bande de décor plastique gravé sur le pourtour. Le pont est bien ajusté mais la plateforme est naturellement au dessus du plan du rebord de la fosse. Il est donc possible en limant les extrémité sur pont sous la plateforme de ménager la place pour une bande de décor. Le bémol est que la distance entre le rail et la paroi deviendrait un peu faible et qu'il faudrait sans doute amincir cette bande.

Une seconde alternative est de reprendre la gravure en mur de brique. En effet, le rebord de la fosse est à hauteur par rapport à la plateforme pour recevoir des rails code 80. Avec mes rails code 55, la partie qui est incluse dans les traverses et qui fait que la hauteur effective du profil est un code 80 serait visible. Il faut donc que je recouvre le rebord entre les rails de pièces de plastique que je re-graverais. Dans ce cas pourquoi ne pas opter pour de la brique rouge qui est plus dans le thème de mon réseau. Dans ce cas, graver la paroi est plus facile pour les horizontales et peut se faire au tour ou a défaut avec un montage à base de perceuse.

Je verrai selon mon courage.

Les rambardes ne sont pas assez fines. Les chandelles ont un diamètre de 1,15 mm soit 18,4 cm à l'échelle. Les mains courantes font 0,86 mm d'épaisseur (13,6 cm) et 1,52mm de largeur (24,3 cm). Il sera donc nécessaire de les refaire.

Un détail qui m'a choqué est la manière dont les 4 galets de roulement aux extrémités du pont sont implantés. Ces galets roulent sur le rail circulaire et par conséquent leur axe de rotation devrait être perpendiculaire à la tangente à ce rail. Sur le pont PECO ce n'est pas le cas. L'axe des galets est parallèle à l'axe du pont. C'est donc également une partie que je vais refaire.

Enfin, l'absence de guérite de manœuvre est un peu dommage pour un pont de 24 m. Il n'est pas impossible que j'ajoute une guérite pour l'aspect visuel mais aussi pour avoir un repère me permettant de distinguer les deux extrémités. En effet, comme expliqué dans « L'algorithme de rotation du pont tournant », le pont est orienté et pouvoir désigner sa nouvelle position en se basant sur la guérite serait un plus.

[1] J'aimerais pouvoir retourner des BR38

[2] Ce qui en fait ne m'arrange pas car je développe ma propre motorisation

Ouverture de boîte

Jean-Luc — 2013-01-02T07:00:00Z

La gare de Krakow est un kit Auhagen que j'ai découvert dans le fil « Réseau modulaire ÖBB (reloaded) » de Horia Radulescu sur le forum du N et sur lequel j'ai craqué.

Il s'agit de la reproduction du bâtiment voyageurs de la gare de Krakow am See, voir notamment la photo de cette gare, construite à plus d'une centaine d'exemplaires en Prusse.

Le bâtiment voyageur de la gare de Krakow am See

Ce kit fait partie d'une série produite depuis quelques années par Auhagen et comprenant une halle à marchandise, une remise à locomotives deux places, une maison de garde barrière et d'autres petits accessoires sur lesquels je reviendrai.

Pour tout dire, j'ai monté assez peu de kits de bâtiments de décors ferroviaires (mais beaucoup de kits d'avions et de blindés). L'un des particularités de ces kits est le fait qu'ils soit moulés en plusieurs couleurs et ne sont donc pas destinés à être peints. Il va sans dire que l'obtention d'un bon rendu nécessite tout de même de les mettre en peinture. En effet, l'aspect plastique satiné nuit sérieusement au réalisme du bâtiment.

Contenu

La boîte contient 22 grappes de pièces dont 7 moulées en couleur brique (pignons et façades).

Grappes couleur brique

2 grappes de toitures de couleur gris foncé et 5 grappes de vitrages.

Grappes de toiture et vitrages

2 grappes de charpente de couleur verte, 1 grappe de pierres de parement de couleur marron, 1 grappe de socles et d'escalier de couleur gris très clair, 1 grappe d'huisseries de couleur beige et deux grappes de descentes de gouttières de couleur gris clair.

Grappes de charpente, socle, parements, gouttières, huisseries, ...

Enfin, une feuille de décors imprimés à positionner à l'intérieur du bâtiment.

Planche de décor intérieur

La gravure est remarquablement fine et détaillée et je n'ai noté aucune barbe. Le plastique est relativement souple et facilite le dégrappage : le couteau entre facilement et régulièrement dans les pattes de fixation. Les flash sont en faible nombre mais justifient à eux seuls la mise en peinture.

La notice de montage tient sur 4 pages A3 et est remarquablement précise. Une nomenclature des grappes avec les numéros de pièces est jointe sur une feuille A4.

Un petit sachet de flocage complète le kit.

À noter que la gare peut être montées en deux variantes : une époque I telle qu'elle était à sa construction avec un poste d'aiguillage en bois et une époque III+ avec un poste d'aiguillage en briques. Je vais opter pour la version époque I.

Conclusion

Il s'agit d'un kit très détaillé, d'une finesse remarquable et doté d'une notice de montage très claire. Toutefois, les contraintes de la mise en peinture imposent un ordre de montage différent que je vais détailler dans les articles suivants.