OneStep/StepControl: eine Drehscheibensteuerung für BiDiB und DCC

Antriebssysteme für eine Drehscheibe

Grundsätzliche Unterscheidungen

    Drehscheiben und Schiebebühnen werden verwendet, um ein spurgeführtes Fahrzeug in eine neue Fahrtrichtung zu lenken. Dazu wird der Fahrweg unter dem Fahrzeug verschoben/gedreht. Es gibt Drehscheiben in sehr unterschiedlichen Größen: von einer kleinen Waggondrehscheibe (in Länderbahnausführung) bis hin zur 27m-Scheibe in der Hochzeit der Dampflokomotiven. Drehscheiben wurden immer dann verwendet, wenn viele Ziele auf beengtem Raum erreicht werden sollen (z.B. Lokschuppen). Auch auf der Modellbahn finden sich beengte Verhältnisse (und oft ein gewisses Überangebot an Lokomotiven ;-) ), deshalb gibt es auf vielen Anlagen eine Drehscheibe.
    Die wesentliche Unterscheidung findet sich im Einbauort des Motors und der Lagerung der Bühne:
  • Motor in der Bühne
    In der Nachbildung der Stahlbühne ist ein Motor samt Getriebe eingebaut. Dieser wirkt i.d.R. auf eine im Drehscheibenboden eingelassene Zahnschiene (im Vorbild findet sich oft nur Friktionsantrieb).
    Zur Erreichung einer Positionsgenauigkeit am Anschlußgleis ist entweder eine mechanische Verriegelung vorgesehen (Fleischmann, Märklin) oder die Motordrehungen werden überwacht und gezählt (Drehscheibensteuerung DSD2010 von Sven Brandt).
  • Motor unter der Bühne
    Bei kleinen Bühnen (Waggondrehscheiben, Länderbahnausführungen, Messingbühnen) befindet sich der Antrieb (mit stark untersetztem Getriebe) unterhalb der Bühne und treibt über den Lagerzapfen die Bühne an. Sowas findet man z.B. bei Hapo.
  • Lagerung Generell wird eine Bühne mittig durch einen Zapfen gehalten.
    Bei großen Scheiben ist es üblich, dass die Bühne durch Räder auf einen Laufkranz geführt wird und über diesen Laufkranz auch die Höhenlage an den Anschlußgleisen definiert ist.
    Bei kleineren Scheiben findet man auch 'frei schwebende' Konstruktionen, die Höhenlage ist nur durch das Zentrallager des Zapfens definiert. Am Zapfen muss dann entsprechend eng toleriert werden (Kugellager) und die Lagerung muss exakt winkelig erfolgen, damit beim Wenden der Scheibe kein Höhenversatz entsteht.

Fahrgeschwindigkeit

    Die Umlaufgeschwindigkeit beim Vorbild beträgt etwa 120-180s/U (2min für einen Umlauf), beim Modell wird man gelegentlich etwas schneller unterwegs sein. Umlaufgeschwindigkeiten schneller als 60s für den Vollkreis sollte man vermeiden.

Möglichkeiten des Antriebes mit OneStep/StepControl

    Die Baugruppe OneStep ist universell für eine Ansteuerung eines Schrittmotors geeignet. Normale Bürstenmotoren (wie z.B. bei den industriellen Modelldrehscheiben verbaut) lassen sich damit nicht ansteuern. Schrittmotoren finden breite Verwendung im CNC-Bereich und 3D-Druck, also überall dort, wo Positionierungsaufgaben zu erledigen sind.

    Schrittmotoren sind kompakte Motoren, bei denen der Drehwinkel in Schritten vorgegeben werden kann. Wie groß ein solcher Schritt ist, wird im Datenblatt des Motors entweder als Winkel (z.B. 1.8°-Steps) oder als Gesamtzahl je Umdrehung angegeben (200 Steps/U). Motoren gibt es als unipolare Ausführung (meist 6 Anschlüsse) und bipolare Ausführung (4 Anschlüsse). Unipolare Motoren lassen sich auch bipolar verwenden. Das Drehmoment hängt vom Strom ab. Dieser Strom ist in der Steuerung einstellbar (auch getrennt für verschiedene Betriebszustände wie angehalten, in Bewegung oder beschleunigend).
    Schrittmotoren müssen im Betrieb immer unter Strom gehalten werden, damit sie ihre Position halten können. Das bedeutet kontinuierlichen Energiefluß - der dann auch vom Motor als Abwärme abgeführt werden muß.
    Die Schrittzahl eines Motors läßt sich durch elektronische Maßnahmen (partielle Bestromung beider Spulen im richtigen Verhältnis) erhöhen (sog. Microstepping), dabei läßt sich ein feinfühliger Lauf des Motors erreichen. Die Elektronik der OneStep kann hochauflösendes Microstepping bis zum Faktor 32.
    Die Steuerung kann Gesamtschrittzahlen für einen Umlauf von 10 bis 2147483647 Schritten, wobei die genaue Zahl für einen 360°-Umlauf auch eine Bruchzahl sein darf. Das ist dann notwendig, wenn dem Schrittmotor ein nicht ganzzahliges Getriebe (z.B. Planetengetriebe) sein darf.

    Ausgehend von den Bauweisen der Drehscheiben und den Möglichkeiten der Elektronik ergeben sich damit folgende Optionen:
  • Direktantrieb von unten
    Vorteil dieser Anordnung ist der einfache mechanische Aufbau, allerdings kommt man da auch an die Auflösungsgrenzen des Microsteppings. Insbesondere billigere Motoren sind intern nicht optimal aufgebaut und zeigen selbst bei Microstepping durchaus nennenswerte Rasterung, die sich dann auch an der Achse zeigt und bei größeren Durchmessern der Drehscheibe als erkennbares Ruckeln nach außen sichtbar ist.
    Das Ruckeln zeigt sich stärker, wenn der Motorstrom gegenüber dem Motornennstrom abgesenkt ist. Dann wirkt das normale Zahn-Rastmoment überlagernd zur Ansteuerung. Aus diesem Grund sollte der Motor nicht zu sehr überdimensioniert sein.
    Der Schrittmotor für die Scheibe wird nach folgenden Kriterien gewählt:
    • Schrittzahl: diese sollte mind. 200 Schritte/U sein, besser 400 Schritte/U (0.9° Schrittwinkel)
    • Motoreignung (und -optimierung!) für Mikrostepping.
    Zusammenhang zwischen Motorauflösung, Mikrostepping, Bühnegröße und erzielbarer Positioniergenauigkeit:
      Berechnung des Positioniergenauigkeit:  
    Schrittmotor Schrittzahl: [steps/U]
    Mikrostepping:  
    Gesamtschritte: [steps/U]
    Brückenlänge (Durchmesser): [mm]
    resultierende Auflösung: [mm/step]

    • Mechanische Untersetzungen helfen bei der Ansteuerung: Der Durchgriff einzelner Schritten wird mit dem Getriebefaktor verkleinert. Mögliche Lösungen mit Getriebe:
  • Direktantrieb mit Planetengetriebe
    Ein vorgelagertes Planetengetriebe reduziert dieses Ruckeln in der Bewegung - einfach weil ein einzelner Schritt jetzt weniger weit greift. Planetengetriebe haben teils recht große Übersetzungen (z.B. 27:1), die Übersetzung ist aber i.d.R. eine rationale Zahl z.B. 1: 191*17/(11*11) = 1:26,834710743801652892561983471074. Aber wie oben schon angesprochen: die Steuerung kommt mit solchen krummen Zahlen zurecht.

    Zu beachten ist, dass Getriebe naturgemäß ein Laufgeräusch und Spiel haben. Die Bewegungen sind aber langsam, so dass man normalerweise nichts hört. Schwieriger kann das Getriebespiel sein - die Steuerung kann das aber berücksichtigen. Was die Steuerung nicht kann: das Spiel entfernen! Es gibt auch Präzisionsgetriebe mit besonders geringem Spiel.
  • Unterflurantrieb mit Riemengetriebe
    Vorteile: zusammen mit einem Flachstepper könnte man sehr geringe Einbautiefen erreichen (Motor direkt seitlich unter die Scheibe, Motorachse nach unten und dann der Riemen); Riementriebe sind i.d.R. formschlüssig und spielfrei. Erreichbare Übersetzungen: etwa bis 1:5.
    Nachteil: die Spannkraft des Riemens muß vom Lager der Scheibe aufgenommen werden können. Hierdurch können sich fallweise Kippmomente auf die Bühne ergeben, die man durch eine separate Lagerung der Riemenscheibe und eine flexible Schlitzkupplung zum Zapfen der Bühne verhindern muß.
    Link: Online-Tool zur Berechnung von Riemenantrieben: http://smarthost.maedler.de/maedlertools/maedler.html
  • Unterflurantrieb mit Schneckengetriebe
    Schneckenantrieb haben i.d.R. sehr große Übersetzungen, die Schrittauflösung verbessert sich um den Übersetzungsfaktor. Dieser ergibt sich aus der Gangzahl der Schnecke bezogen auf die Zahnzahl des angetriebene Rades. Deshalb kann man zum Teil wieder bei den Motoreigenschaften Abstriche machen und kleinere Billigmotoren verwenden.
    Zahngetriebe haben Getriebespiel, dass man aber z.B. mit seitlichem federnen Druck auf die Schnecke Richtung Scheibe minimieren könnte.

Optimieren der Genauigkeit bei den Abgängen

    Das Magnetfeld des Schrittmotors schleppt den Rotor mit angeschlossener Bühne hinter sich her, der Abstand zwischen Soll-Position der Bühne und der echten Ist-Position beträgt etwa 20 Mikroschritte - mit Streuung, da ja die Reibung über den Umfang nicht konstant ist. Manchmal schleift die Bühne etwas mehr, manchmal weniger. Deshalb ergibt sich eine Abweichung in der Anfahrt der Zielposition, je nachdem, ob man von links oder von rechts kommt. Dieses Nachhinken der Mechanik hinter dem Sollfeld gilt es zu reduzieren: sowohl durch mechanische Maßnahmen (leichter Lauf, Kugellagerung) als auch durch elektrische Maßnahmen (Motor mit starkem Drehmoment, entsprechen hoch eingestellter Strom). Diese Maßnahmen reduzieren auch kleine Ruckler unterwegs - der Motor hat mehr Kraft, um eventuelle Reibungsstellen glatter zu überfahren.

    Ein Motor mit doppelter Schrittzahl (z.B. 400 Schritte / U statt 200 Schritte / U) reduziert die Abweichung auf die Hälfte.

    Im Ziel kann man die Abweichung fast ganz eliminieren, wenn man das Ziel iterativ mit immer kleiner werdender Amplitude von links und rechts 'anpendelt'.