So-net無料ブログ作成
検索選択

Tomix 5001 Power Unit(パワーパック)のPWM制御化~その3~ [模型]

2015年2月1日の日記
 
Tomixが昔出していた,5001 New Power UnitというコントローラをPWM化して遊んでいます。この5001パワーユニットは前後進をひとつのツマミで切替ができ,単にツマミを右か左に回すだけで模型の進行方向が変わるというなかなか今でもない機能を持ち,現在でも愛用されている方が多いと思います。
 
ただ,制御は従来通りの巻線抵抗器(レオスタット)を用いた抵抗制御式のため,起動がスムーズではなく,特に最近の高性能な動力を搭載した模型ではビュッとラピッドスタートになってしまうのがネックですね~。
 
そこで,私は中身を大幅に改造し,PWM制御方式に変更しています。意外にうまくいき,前回で一応,完成したとして試運転をしていました。
 
ところが,実際に運転してみるとやはり気になるところが出てきました。不満な点は次のようなものです。
 
PWM式の場合,電圧ではなく,パルス幅で制御しますが,私の最初の設計のものではデューティ比は最大100%にはできず,75%くらいです。 まあ,スケールスピードを守る,という点ではこれでもよいといえるかもしれませんし,実際,PWM式で市販されているコントローラでも最大75%くらいのデューティで抑えられているものもあります。
 
ただ,家の中で運転する場合にはこれでもよいのですが,運転会などで大きなレイアウトで運転するとデューティ100%とならないと遅く感じることがあります。201系みたいに通勤電車を運転している場合はいいですけど,485系なんかの特急電車を運転していてとなりの線のやつが運転しているE257系なんかに負けると悔しいですからね.........(^^;)。
 
と言って,これは最初からデューティが100%とならないことは設計段階からわかっていたので,いいのですが,次の問題はちょっと予期しないもので,まったく想定外の事象でした......。
 
実は,10分ほど運転していると模型が止まってしまうのです。あれ,あれ,あれ.......という感じで模型がゆっくり止まってしまいます。
 
最初は原因がわかりませんでしたが,しばらくして保護用のポリフューズが動作しているのだとわかりました。私はいつも,保護回路は半導体を使った速動式なので,過電流時は即座に停止しますが,ポリフューズの場合はゆっくりと止まるので,ちょっとポリフューズは動作が遅い感じがしますね。
 
ポリフューズはサーミスタの一種で,これもまあ,半導体の一種なのですが,設定された電流(トリップ電流)を超えて温度が上昇すると内部の組織が変わり,抵抗値が大きくなって電流を制限する仕組みになっています。 なお,普通のフューズと違うのは1回動作したら終わり,ではなくいつまでも使えるのと,完全に電流をしゃ断するわけではなく,ある程度の電流(保持電流)を流し続けることです。それも1Aクラスのポリフューズだと保持電流は0.5Aくらいで,あまりこれじゃ意味がないんじゃない,という感じもするのですが....。
 
応答速度的には人間が感じるくらいなので非常に遅いのですが,半導体の保護にも使えるようで,今回使用した出力のMP4006はきちんと保護されていました。
 
ただ,10分くらいで飛んでしまうのはおかしいですし,それに負荷と言ってもNゲージの動力を1台運転しているだけなので,これじゃ異常動作で,ノッチを入れるたびにOCRが飛ぶようなもので実際に運転するのに支障しますので困ります。
 
と言う次第で,前回までの設計では2つ問題点があることがわかったので,改良したいと思います。
 
う~~ん,やはり新しい回路を考えてもなかなか完璧には動きませんね~~。やっぱダメだな~~。
 
と言う次第で,
 
30.jpg

♪風が心にささやくの~ このままじゃダメなんだと~(May Jさんじゃなくて松たか子さんの声で!) 
 
今もまだアナ雪にはまっちゃっています......(^^;)。  
 
まずは最大デューティ比の改善から。
 
過去,何台もPWM式のコントローラを作っています。私の回路はタイマIC 555の#6ピンに三角波が出力されるので,それと直流の基準電圧をコンパレータで比較し,パルス幅可変のPWM波を作る,と言うものです。
 
ただ,過去のものは通常通り,逆転SWを用いたもので,スピードコントロールは1方向のみになっています。 この場合,555出力の三角波は1/3Vcc~2/3Vccの間で変化するので,基準電圧はこれより少し広い範囲に設定すればよいだけです。こうすれば0%~100%の間でパルス幅を可変することができます。
 
ところが,Tomixの5001パワーユニットの場合は2連の可変抵抗を使用し,中点でパルス幅が0になるようにしないといけません。もし,2連のボリウムでMNカーブのものならばそれぞれが中点からスタートするパターンなのでいつもと同じ回路で済みます。しかし,最近はMNカーブの可変抵抗が入手難で,おまけに基板に直付けするタイプのものは製造されていないので仕方なく,前回までBカーブのものを使っています。
 
しかしながら,この場合はどうしても最大デューティを100%にすることができません。
 
理由はというと,どうしても中点でデューティを0にしておかないいけないためで,ここでデューティが0でないと模型が停止しないのはもちろん,今回,出力部にHブリッジドライバと呼ばれるモータ制御回路を使っていますが,各ブリッジを構成している上下のTrが同時にonするため貫通電流という大きな電流が流れ,Trを破壊してしまうからです。▼の図で言うと,ボリウムの中点付近で必ずHブリッジ双方がonしない領域を作っておかないといけないのです。そこで,前回の設計では,ボリウムの最高出力電圧をVccより下にして,このいわば "遊び" 領域を作る設計としています。今回もこの "遊び" 領域は絶対に必要です。
 
何とかならないかと散々考えましたが,なかなかいいアイデアを思いつきません。最初は負電源を導入して可変抵抗の起点の電圧をマイナスにする,と言うことも考えましたが,電源が12Vのスイッチング電源のため,負電源を作るには別の電源を用意するか,MAX850などのチャージポンプ式チョッパICを用いて負電源を作る必要があります。
 
でも,これじゃ複雑すぎて大変です。
 
と,次は555の三角波出力の電位を変更し,もっと上に移動できれば,と考えました。1/3Vcc~2/3Vccの間で変化するから100%にできないわけですね。これを2/3Vcc~Vccくらいの間に移動できれば100%にできます。
 
レベルシフト回路.jpgレベルシフトの原理
   前回までの回路         改良版 
 
これは電子回路ではレベルシフトと呼ばれる回路で,グランド電位が異なる回路で信号のやりとりをしたり,信号の振幅はそのままで基準となる電位だけを変更するため,その昔,DCアンプの回路でよく用いられた手法です。 
 
これなら簡単で,TrをひとつとツェナーDiで可能なはずです。 
 
と言う次第で,PNPのTrとシリコンDiをひとつ用いて555の三角波出力をレベルシフトすることにしました。1V程度のレベルシフトなのでツェナーDiは結局使わず,通常のシリコンDiの1SS133を使いました。ツェナーDiは2V以上のツェナー電圧のものばかりなので,2V以下の定電圧電源として使われる手法です。赤色のLEDもよく使われますが,その理由は赤色のものだと1.7Vくらいの電圧になるからです。私も自動加減速コントローラで使っています。
 
レベルシフト回路.jpg レベルシフト回路
 
レベルシフトには▲のような回路を使います。PNP TrとツェナーDiを使うと,出力電圧Voutは,
 
        Vout=Vin+VBE+Vz
 
と表されます。コレクタ接地回路(エミッタフォロア)ですからゲインは0dBで,信号の振幅には影響ありません。 また,抵抗Rは単にツェナーDiの動作電流を流すためのものです。今回,普通のシリコンDiを使いましたので,レベルシフトは1.2V程度になるはずです。なお,ツェナーDiはP-N接合を逆向きに使いますがLEDやシリコンDiは順方向で使いますので向きに気をつけてください
 
レベルシフト前.jpg 555の三角波出力電圧
 
 
レベルシフト後.jpg レベルシフト後の電圧
 
設計通り,約1.1Vだけレベルシフトしているのがわかりますね。 
 
また,spiceでシミュレーションしてみるとうまくデューティが0%~100%で変化しましたので,自信を持ってプリント基板を改造しました。
 
ところが.......。
 
実際に動作させてみると,どうしてもデューティが100%になりません。せいぜい88%です。 
 
何でぇ~~っ??????
 
duty 88%.jpg 最大デューティの状態(Vcc=5Vのとき)
 
どうしても原因がわからず,1週間むだにしてしまいました。私が使っているspiceはリニアテクノロジーが無償で提供しているLTspiceで,これにはコンパレータLM393のモデルがなく,LT1017を使っていましたので,これが原因か,とも思いましたが,LM393は古くから使われている汎用のコンパレータで,特殊なものじゃないので,このせいではなさそうです。
 
でも, よく考えてみると,レベルシフト後の三角波の最大出力電圧が4.4Vで,Vccにかなり近い状態です。今回,最初,LM393のVccは5Vでしたので,おそらく基準電圧が4.4Vに達する前にコンパレータ自身がonしてしまうのだろう,と考えました。現在製作中のPWM式自動加減速コントローラのところでLM393の等価回路を載せていますが,それを見てみると各コンパレータの入力端子はVcc-2・VBE分だけ低い電圧までしか受け付けないと思われます。今回のVccの電圧からだと具体的には3.8Vくらいまででしょう。そこで,LM393のVccを上げ,12Vにしてみたら正解で,ようやくデューティが100%となるようになりました。やれやれ。 データシートを見ても入力電圧の上限についての記載がないのでうっかりしていました。
 
それに,やはりspiceはシミュレーションでしかなく,きちんと回路を作って動作確認しないといけないと痛感させられました。
 
duty 100%.jpg ようやくデューティ100%となりました(Vcc=12V)
 
次に,ポリフューズが定格以下の負荷なのに動作する理由について考えてみます。
 
やはり原因はモータのインダクタンス分による逆起電力だと思いますので,純抵抗を負荷にして実験してみます。
 
抵抗テスト.jpg  純抵抗で負荷テスト中
 
やはり何にも起こりません。モータを接続したときだけポリフューズが動作するようです。
 
spiceでモデル化しているので,ポリフューズを模擬した抵抗を挿入して電流を調べてみますと,Hブリッジがoffの時に瞬間的にですが,-2A以上の電流が流れます。実際にこうなっているとは思えないのですが,シミュレーション上はこのような結果が出ます。
 
対策としてはポリフューズの定格を大きくし,3AくらいのものにすればOKですが,Hブリッジは小型のMP4006を使っていて,これは2Aの定格しかないので,過電流が流れたときの保護になりません。 
 
となるとやはりあれ.....しかありません。そう,スナバ回路です。
 
こちらもspiceでシミュレーションして,1μF+10Ωなら逆起電流が消えるとわかったので,出力端子に取り付けてみるとポリフューズは飛ばなくなりました。
 
出力スナバ回路.jpg 出力端子に取り付けたスナバ回路
 
なお,後日,20kHzでの動作時に不具合が出たのでこのスナバ回路は0.047μF+100Ωに変更しております。 
 
あまりHブリッジの出力にスナバ回路を入れるなんてことはしないようなので,本当の対策になるのかわかりませんが,これで正常に動作するのでよしとしました。オレンジ色のは1μFのフィルムコンです。積層セラミックだともっと小型にできますが,あまり積層セラミックは好きじゃないのでフィルムコンにしました。
 
結局,回路図は前回からまた▼のように変わりました。赤線部分が前回からの変更点です。これでTomix5001パワーユニットを完全にPWM化したことになると思います。 
 
前後進ワンハンドルパワーパック11.jpg全体回路図
 
         前回と異なる部分を赤で示します。
 
改良後基板.jpg 基板にレベルシフト回路を追加しました。
 
内部.jpg 内部の様子
 
今回,スイッチング電源の固定方法を変更し,底面にネジ留めしました。使ったのはCOSELの基板用スイッチング電源で,ネジ留め式じゃないので固定が厄介ですがφ3mmの穴を開けてM3ねじで固定しました。
 
本機の電源容量はmax. 0.9Aで,もとの5001パワーユニットの3倍です。Nゲージ用としては十分すぎるくらいの出力がありますので,矢立峠のD51 3重連や奥中山のED75 3重連を再現してもフルスピードで走ることができます。  
 
また,電源コードが経年劣化で硬くなっていたので,新品に交換しました。柔らかいコードになったので扱いがしやすくなりました。 
 
レベルシフト回路を挿入し,基準電圧を作るための可変抵抗部分の抵抗の位置および定数を変更しました。使用したPNPトランジスタは手持ちの2SA640ですが,これはかつてのNECのオーディオ用の定番Trで,今じゃ入手は難しいと思いますので,ここは2SA1015などの汎用品で結構です。 
 
ようやくこれでフルスピードで突っ走ることができるようになりました。

一見,古そうなTomixの5001パワーユニットを持ち出し, "けっ,そんな古いパックもって来やがって" と油断させておいて,実は中身は最新のPWM式コントローラで(おまえは刑事コロンボかよ。古~っ!),ブサイクなE257なんてぶっちぎりでおさらばだぁ~っ! 
 
28s.jpg
 
   ♪これで~いいの~ 少しも遅くないわ~  .......(^^;)
  
 
                     Tomix5001パワーユニットのPWM化 完
 
2015年3月9日追記
 
▲の回路図に誤りがありました。当ブログをご覧いただいている方からご指摘がありました。
 
スイッチング周波数切替SW部分の抵抗が逆でした。1kΩと220kΩは逆です。555の#6,7ピンに接続される抵抗が220kΩのみの時が300Hzで,1kΩがパラに入ると(SWがonのとき)20kHzとなります。

どうも大変申し訳ございません........m(_ _)m。 
 
2017年7月16日追記
 
PICを用いて完全にリニューアルしました。詳しくはこちらをご覧ください。 
 
 

nice!(1)  コメント(12) 

nice! 1

コメント 12

ぼち吉鉄道

おはようございます。

いやいや、今回の記事は笑える部分が多数…(^^)
>485系なんかの特急電車を運転していて…E257系なんかに負けると悔しい…。
>一見,古そうなTomixの5001パワーユニットを持ち出し, "へっ,そんな古いパックもって来やがって" と油断させておいて…。

この2つはツボでした(笑)

このコントローラ持っているんですよね。
祖父が一番最初に買ってくれたものです…30年選手です。
山本昌みたいなコントローラです(^^;

iruchanさんと同じ回路製作には至っていません。
ネックは、あの抵抗ですね。
なかなかのお値段で、躊躇してます。
あとツェナーダイオードの使い方、勉強になりました。
なんせ電子工学苦手なので…。
この分野は、進歩してるので以前勉強した内容でここまで無かったような…(^^;
by ぼち吉鉄道 (2015-02-03 08:34) 

iruchan

うもコメントをありがとうございます。

そうでしたか,お爺さまからのパックですか。ぜひ大事にしてください。私も5001を買って,オリジナルの状態で動態保存しておこうかと考えています。

なお,本機に使っている可変抵抗はアルプスの基板用2連で,ごく普通のものです。中点クリックのついたものも秋葉で入手可能です。

ただ,HブリッジドライバのICが入手難です。回路図中にあるMP4212などを見つけたら買っておかれるとよいと思います。

レベルシフト回路については昔のMJ(May Jじゃなくて "無線と実験" です)に載っていたものです。

本当は基板パターンも発表して簡単に作れるようにしたいのですが大幅に修正してしまったので発表できるレベルじゃありません。どうも申し訳ありません。
by iruchan (2015-02-09 22:48) 

konchan

こんにちは
初めてのPWM早速、作らせていただきました。
全てワイヤー配線で行いました。
配線間違いとか失敗しましたが走行までこぎつけました。
中低速の安定感は抜群です。
図面中の1KΩと220KΩの位置が逆ですかね?
この次は加減速レートが変えられるといいなと思っています。
本当にありがとう御座いました。
by konchan (2015-03-08 23:00) 

iruchan

konchanさん,どうもコメントありがとうございました。

無事に動作した由,ありがとうございました。喜んでいただけてとてもうれしいです。

また,お恥ずかしい限りです。ご指摘の通り,1kΩと220kΩは逆でした。どうも申し訳ありません。555の#6,7ピンに接続される抵抗が220kΩのみの時が300Hzです。このとき,201系と同じスイッチング周波数となります。

どうもありがとうございました。
by iruchan (2015-03-09 21:38) 

ばなな

はじめまして。 4歳の子供と何十年ぶりかにNゲージを再開したところです。 子供の手動での運転だと、勢いよく飛び出させてしまうので、自動で発進させて止めるような仕組みを作っています。デジタル回路、プログラミングは得意なので問題ないのですが、デジタル回路の0-5VのPWM信号を出すところまではうまくいきました。 この信号を使ってパワー回路で12Vをドライブさせればよいのかと思いますが、555~コンパレータの後段を利用すればよいのでしょうか?
今回、特にこだわりたいのが、発進直後の列車の加速です。
極低速で動き出して、徐々に加速しながらホームを出て行くシーンが、リアルなスピード感で再現できるといいのですが。。。
iruchanさんの手動でのコントローラで操作した場合、うまくいくのでしょうか?PWMといえども低速域でのゆっくりした加速が再現できるのかどうかが気になっています。
今後ともよろしくお願いします。 
by ばなな (2015-06-19 07:30) 

iruchan

ばななさん,どうもコメントありがとうございます。

お子さんとNゲージとはいいですね。うちの子もそれくらいの歳から遊んでいます。

ご指摘の通り,PICなどのマイコンを使うと簡単だとは思うのですが,どうにもソフトで制御する,というのは嫌いで従来のアナログ回路で取り組んでいます。

0-5VのPWM波が作れたら,あとは簡単で,これを制御Trのベースに加えればOKです。

ただ,この場合,出力電圧が4.5Vくらいになってしまうので,制御Trはエミッタ出力ではなく,コレクタ出力とする方がよいです。単にPWM波をスイッチングするための信号とするわけです。私の回路ではコンパレータ出力は12Vくらいになります。

下記をご参照ください。

http://iruchan.blog.so-net.ne.jp/2015-02-09

また,ご希望の自動加減速についても未完成ですが,下記で報告しています。本物の電車のようにマスコンとブレーキで制御します。加速は自動です。惰行も可能です。

http://iruchan.blog.so-net.ne.jp/2014-11-29

まだ基板だけの状態ですが,テストしてOKでした。ちょっと忙しくてまだケースに入れていないし,最終的な報告をしていません。申し訳ありません。

by iruchan (2015-06-19 07:57) 

ばなな

早速のご返答ありがとうございます。参考にさせていただきます。 ところで、回路側で自動加減速を制御する場合、短い編成の列車(1,2両の気動車)と貨物列車などの違いはうまく速度の変化を表現できるのでしょうか? 根っからのデジタル人間の私としては、ワンチップマイコンなどに頼ったほうが楽なのですが。。。
もう1点、区間ギャップを切ってコントローラで制御する場合に、この区間に動力車両が存在するかどうかを検出させたいと考えています。
動力車両がいるかどうか、コントローラ回路にプラスアルファで検出できないものでしょうか?ヒント・アイディアがあれば教えてください。

極低速域の制御についてですが、こちらで試作したPWM回路でうまく微調整ができなくて困っていたのですが、よくよくみたら以前に試したDCCの回路が乗ったままになっていました。これを取り外したらかなり素直な動きになってくれました。

ありがとうございます。


by ばなな (2015-06-19 21:12) 

iruchan

どうもコメントをありがとうございます。

残念ながら,車両の編成長や動力の性能の違いはコントローラ側じゃ判断できませんね。私が作った自動加減速コントローラ(アナログ,PWMの2種類)は加速度・減速度調整のボリウムを設けていますので,それで調整するしかないと思います。

また,在線検知も普通はフォトトランジスタやCDSを使ったもの(光学式)や踏切のガードレールみたいな方式(接触式)でやるのが普通でしょう。今だと,光学式でマウスに使われているのと同じフォトレフレクタというのが発売されていますから,これを使うと容易です。

ただ,これらは別途レールに設置しないといけないのでいくらいい部品があるとは言っても面倒ですね。

実験していないので動くかどうかわかりませんが,コントローラ側に電流センサを設け,その電流をモニタするというのがいいかもしれません。動力がいなければ電流は0ですので検知できると思います。もちろん,何らかの時定数を入れておかないと応答が早すぎてうまくいかないと思います。

最後の極低速域の制御はPWM式の場合,うまくいきます。エンドレスを1周するのに数分かかる,なんてのも可能です。
by iruchan (2015-06-19 21:46) 

ばなな

電流センサーですか。 CTで検出するほどの電流でもなさそうなので、電流検出回路を考えないといけないですね。 フォトリフレクタは駅での停車位置への停止のために必要と思っていますが、これとは別にコントローラ側でも実装したいと考えています。

テスト用に5メートルほどの複線直線区間を作ってみました。


by ばなな (2015-06-23 18:12) 

iruchan

電流センサは一般にはホール素子型が使われます。微少な抵抗(0.1Ωなど)も使われます。CTを使うのは電力用で,大電流の検出用でしょう。

1mA程度の検出にはホール素子が使われるようですので,お調べになってください。
by iruchan (2015-06-23 21:28) 

電器屋鉄道

過去の記事にコメントをつけることをお許し下さい。
HブリッジのPWMコントローラの制作過去の記事からを興味深く見せていただいき,MP4207を使い実際に作成してみました。
逆起電力の問題はセラコン2個で解決してみました。MP4207(MP4212)の等価回路を見ていて,各FETに寄生ダイオードがあることに注目,これをフライホイールダイオードとして使えないか検討,Hブリッジの上下のFETを同時にOFFするのではなく,下側のFETだけOFFするタイミングを少し遅らせるようにしてみました。具体的には2つあるゲートアンプ2SC1815双方ともにエミッターとグランド間の1Kと並列に0.47uFを追加です。
OFFするタイミングが遅らせることでフライホイール効果が得られ,逆起電力対策になっているようです。
スナバ回路なし使っていますが,PTCの発熱,テールライトの誤発光などの問題は見受けられませんでした。
解決方法として最適なのかよくわかりませんが,一応ご報告です。
by 電器屋鉄道 (2016-02-16 00:52) 

iruchan

どうもコメントをありがとうございます。

Hブリッジはご指摘の通り,わずかにonのタイミングをずらさないと貫通電流が流れて危険なのですが,私の回路は無視しています。

電器屋鉄道さんのようにタイミングをずらすのが正解です。逆起電力もタイミングをずらすことにより低減されているのかもしれません。

どうもありがとうございました。
by iruchan (2016-02-16 07:32) 

コメントを書く

お名前:
URL:
コメント:
画像認証:
下の画像に表示されている文字を入力してください。

※ブログオーナーが承認したコメントのみ表示されます。