OpenDCC Drehscheibensteuerung

OneStep/StepControl: eine Drehscheibensteuerung für BiDiB / DCC

Grubenplatine

OneStep:
Hierbei handelt es sich um ein BiDiBOne-Projekt, d.h. die Grubenplatine besteht aus einer Trägerplatine mit den spezifischen Bauteilen für die Drehscheibensteuerung und aus der eingesteckten BiDIBOne-Platine, welche Prozessor und Quarz, BiDiB-Interface und Stromversorgung enthält.
StepControl:
Das ist ein Platinenentwurf mit integriertem Prozessor (atxmega128a4u). Aufgrund der Vielzahl an integrierten Bausteinen mit kleinen Dimensionen und der damit verbundenen Nachbauproblematik wurde dieser Entwurf zugunsten des OneStep-Entwurfes zurückgestellt.

Schaltung Grubenplatine

Motoransteuerung:
Als Motortreiber findet ein integrierter Schrittmotorcontroller der Fa. TI Verwendung: DRV8824 bzw. DRV8825. Beide Bausteine sind pinkompatibel, unterscheiden sich im max. möglichen Strom des Schrittmotors. Dieser Schrittmotortreiber bietet integriertes Microstepping (damit läßt sich ein ruhiger, weicher Lauf und hohe Positioniergenauigkeit erzielen) und die Möglichkeit, den Stepperstrom in weiten Grenzen einstellen zu können. Hierzu benötigt der Baustein einen externen Shuntwiderstand für die beiden Spulen des Motors. Dieser Meßwiderstand ist als Parallelschaltung von drei SMD-Widerständen vorgesehen, standardmäßig werden nur Widerstände zu 1 Ohm bestückt, damit ist der Widerstandswert 0,5 Ohm.
Die Einstellung des Chopperstrom für die Spulen erfolgt über die Eingänge AVREF bzw. BVREF, intern wird die hier angelegte Spannung mit dem Spannungsabfall an den Sense-Widerständen verglichen.
Es gilt: I(chop) = V(ref) / 5 / R(sense). V(ref) wird mit dem D/A-Wandler des Prozessors erzeugt, damit kann man je nach Lastfall den Strom des Motors einstellen bzw. bei Stillstand reduzieren. Allerdings ist diese Einstellung nur im Bereich 1V bis 3V genau, es sollten daher die Sensewiderstände so dimensioniert werden, dass sich bei zulässigem Nennstrom des Motors ein Spannungsabfall von 600mV an den Sensewiderständen ergibt.
Damit ist der Prozessor in der Lage, bei Stillstand der Brücke den Strom durch den Motor signifikant abzusenken und so die Verlustleistung und Erwärmung zu reduzieren. Der Strom für die verschiedenen Motorzustände (Stillstand, anfahren, bremsen) wird jeweils über CV-Variablen eingestellt.

Zu beachten ist, dass der Motor in der Nähe des Nennstromes feinfühliger auf Microstepping reagiert - d.h. der Motor sollte nicht zu stark überdimensioniert sein und dann nur mit den CVs der Strom reduziert werden.
5V-Versorgung für die Bühne:
Die OneStep-Platine bietet Platz für einen DC/DC-Wandler (NME0505 oder NKE0505SC im 4-poligen SIP-Gehäuse), dieser kann 1W potentialfrei liefern. Das ist für übliche Drehbühnen-Ausrüstung mit Blinklicht, Innenbeleuchtung des Hauses und Signale ausreichend.
Leider ist die Ausgangsspannung dieser DC/DC-Wandler nicht konstant 5V, sondern kann typabhängig bis etwa 7V ansteigen. Es muß daher nach dem Wandler ein guter LowDropout-Regler (wie z.B. der LT1763 oder LM2937) nachgeschaltet werden. Insbesondere das V(in)/V(out)-Verhalten muß etwa folgendem Bild entsprechen:

LowDropout-Regler sind je nach Typ empfindlich auf zu großes / zu kleines Ausgangs-C und das ESR des Ausgangs-C. Die zitierten LT1763 (P-FET) und LM2937 (pnp) zählen dabei zu den gutmütigen Typen und sind stabil mit einem Ausgangs-C von 10µF und ESR < 3 Ohm. Wegen des geringeren Stromverbrauchs fiel die Wahl auf den LT1763. (Hinweis: z.B. LM2940 will 22uF haben, wobei das zwischen 0,1 und 1 Ohm liegen muß).
Kehrschleife:
Die Grubenplatine hat eine integrierte Kehrschleifenschaltung bestehend aus einem zweipoligen Umschaltrelais. Verwendet wird ein TQ2-L2, das ist ein Latched-Typ, welches die Lage speichert und nur im Umschaltmoment Energie benötigt. Zu jedem Abgang kann in der Steuerung die Stellung der Kehrschleife frei eingestellt werden, eine 'Wendelinie' ist nicht erforderlich.
Das bistabiles Relais mit 2A Schaltstrom (geschaltet bis zu 4A belastbar) ermöglicht eine automatische Anpassung der Polarität von Gleisabgängen. Die DCC-Zuführung zur Brücke wird hierzu über die beiden Umschaltkontakte der Relais geführt. Die integrierte Kehrschleife ist vollkommen unabhängig von der Belegtmeldung, sie verursacht keine Phantombelegung. Zu beachten ist jedoch, dass sich zwangsläufig je nach Stellung der Kehrschleife die gemeldete Aufgleisrichtung auf der Bühne ändert, weil ja die Zuordung rechte/linke Schiene zum Gleis sich ändert, jedoch die Lok an Ort und Stelle bleibt.
Sollte das Relais nicht benötigt werden, so kann man es weglassen und stattdessen die beiden Lötbrücken SJ10 und SJ11 schließen.
DCC-Eingang:
Die Baugruppe ist optional auch per DCC angesteuerbar.
Hierzu ist ein optogekoppeltes DCC-Interface vorgesehen. Bei der OneStep wird dieses Interface aufgesteckt (kleine Leiterplatte mit den Maßen 23,5 * 16mm). Auf der StepControl sind die entsprechenden Bauteile direkt auf der Grubenplatine bestückbar.
Prozessor:
Die Grubenplatine arbeitet mit einem 32MHz Atxmega128A4, dieser bietet viele Schnittstellen sowie die notwendigen Timer zur Motorsteuerung. Es ist ein Bootloader vorgesehen, damit ist eine Firmwareupdate im eingebauten Zustand möglich.
Ansteuerschnittstellen:
Also Steuer-Interface ist eine BiDiB-Schnittstelle vorgesehen, über diese Schnittstelle erfolgt die Ansteuerung sowie der Firmwareupdate. Sie ist mit einem 3.3V-RS485-Baustein ausgeführt und bietet zwei Buchsen für einfache Verkabelung.
Eine (optionale) DCC-Schnittstelle (optogekoppelt) mit railcom erlaubt den Einsatz außerhalb von BiDiB.
Zusätzlich sind 2 FTDI-Schnittstellen vorgesehen, hier kann zum einen ein FTDI-Kabel für Konfiguration und Debug angeschlossen werden, zum andern ein lokales Bedienpult.
Interface zur Bühne:

Die Zahl der Leitungen zur Bühne sind beschränkt, von daher wurde bei der Entwicklung auf ein möglichst schlankes Interface geachtet. Zwingend muß auf die Bühne der Fahrstrom transportiert werden, des weiteren muß ein Informationsaustausch über Belegung sowie Aktionen auf der Bühne erfolgen. Die hier implementierte Lösung arbeitet mit einer Halbduplex-Übertragung auf einer Leitung, wobei ein Strom von etwa 4mA als serielle Daten entweder durch einen Optokoppler gepulst wird oder in Gegenrichtung eine LED in einem Optokoppler angesteuert wird. Nötig sind hierzu nur drei Optokoppler: je einer für jede Datenrichtung sowie ein OC für die Richtungsumschaltung. (auf dem Schaltbild sind 6 Optokoppler dargestellt, das sind Bestückungsvarianten (verschiedene Baugrößen).
Das Interface kommt daher im Minimalfall mit 3 Schleifringen aus (DCC1, DCC2 und Datenleitung), empfohlen ist aber die Übertragung der 5V von der Grube auf die Bühne. so dass vier Leitungen benötigt werden.

Layout Grubenplatine

OneStep:

StepControl: