Caratteristiche hardware del controller

Questo controller e' stato pensato per comandare la marcia dei treni in analogico con il sistema PWM (pulse width modulation) in modo da ricreare una pilotaggio a tensione variabile per il locomotore modulando la lunghezza di impulsi di ampiezza uguale all'alimentazione che si fornisce al controller stesso. I punti di forza del controller sono quelli elencati di seguito.

Prezzi

Circuito assemblato e testato: 36€

• Pilotaggio in PWM a frequenza variabile per ridurre i ronzii e fischi dovuti alle risonanze dei motori elettrici dei treni.

• Controllo della forza contro-elettromotrice per chiudere un loop di controllo della velocita' del modello. Questo permette di avere una marcia regolare anche ai bassissimi regimi e una maggiore stabilita' di velocita' nelle salite e nelle discese. Questo controllo si puo' escludere portando llo switch a pannello nella posizione "BEMF OFF", si riattiva in qualsiasi momento mettendo "BEMF ON".

• Inversione della marcia con switch meccanico (a pannello) indicato con "DIR"

• LED di segnalazione per la presenza alimentazione "ON" e per la modalita' di funzionamento "BEMF ON" o "BEMF OFF" indicato con ACT.

I benefici del controllo di velocita' usando la forza contro-elettromotrice si vedono in questo modello analogico, che riesce a sostenere una velocita' di 3Km/h (in scala!) senza nessun impuntamento o incertezza su una salita di circa il 7%.

In questo caso si vedono i vantaggi su salite e discese (il tracciato ha una pendenza di circa il 7%) e anche visivamente si apprezza che la velocita' non cambia sulla parte in salita e quella in discesa.

Per confronto questa e' la marcia della loco quando si disabilita il controllo della forza contro-elettromotrice. Nella parte in discesa si raggiungono i 55 Km/h e al culmine della salita i 26 Km/h

Il controllo della forza contro-elettromotrice (BEMF) si basa su questi due punti:

• Ogni motore elettrico in funzione genera una tensione, proporzionale alla sua velocita' di rotazione, che si oppone al suo pilotaggio (forza contro-elettromotrice)

• L'inerzia del motore in rotazione permette di non percepire se per alcuni istanti (millisecondi) si interrompe il suo pilotaggio

Quindi il metodo di rilevazione della velocita' del modello consiste nell'interrompere il pilotaggio del PWM per alcuni millisecondi e leggere la tensione generata dal motore stesso. Nel filmato presentato, la BEMF e' la linea di base della traccia dell'oscilloscopio e si vede che viene mantenuta costante dal controller (quindi la velocita' del modello sara' costante). Il modo in cui viene tenuta costante e' un PWM "a pacchetti" per avere piu' dinamica anche alle basse velocita' di pilotaggio dove la sola dinamica del PWM sarebbe insufficiente:

I "pacchetti di PWM" che si vedono nel video si infittiscono quando il motore e' sotto sforzo (ad esempio in salita) e la sua velocita' tende a diminuire e quindi il controller lo deve alimentare maggiormente mentre si diradano quando la velocita' e' eccessiva e il motore deve rallentare (ad esempio in discesa). A circa meta' video si vedono i pacchetti attaccati uno all'altro (massima potenza), a questo punto anche la percentuale di pilotaggio del PWM varia per raggiungere circa il 100%. Con questa tecnica si ottengono 2 vantaggi:

• Si estende la dinamica di pilotaggio del motore. Tipicamente un PWM ha una risoluzione di 8-10 bit (cosiderando che il microcontrollore ha un clock di alcuni MHz e il motore viene pilotato ad alcuni Khz) mentre con la discretizzazione in pacchetti si raggiungono 12-16 bit controllando il numero minimo/massimo di pacchetti inviati. Questo si traduce in un minimo migliore, controllato in maniera piu' fine e precisa.

• Separando i pacchetti (come si vede dal video) in maniera "casuale" con ritardi non pre-definiti tra i pacchetti stessi si ottiene un miglioramento degli eventi acustici legati al pilotaggio. Questi sono dovuti alle risonanze meccaniche delle armoniche di pilotaggio motore, che non avendo in questo controller una singola frequenza sono piu' distribuiti in un range di frequenza e quindi con una ampiezza (volume udibile) piu' bassa.