Hallo Stummies
es ist schon wieder eine Weile her, dass ich etwas von mir hören ließ. Nachdem ich die PLA-Version des Hosenträgers zusammengebaut habe, habe ich noch ein paar andere kleinere Projekte in Angriff genommen, die schon länger auf dem Tisch lagen. Eines dieser Projekte war das Ersetzen der GRBL-Shields in meine CNC-Fräsmaschinen durch neue FluidNC-Boards. Die Platinen habe ich wieder selbst entwickelt und bei JLCPCB anfertigen lassen.
Ein weiteres Projekt war das Experimentieren mit einem Schrittmotorantrieb für Viessmann (und andere) Signale.
Für meine Gibstnicht-Anlage benötige ich eine ganze Reihe von Flügelsignalen. Über dieses Forum, aber auch über Kleinanzeigen, konnte ich in letzter Zeit eine größere Anzahl von gebrauchten Viessmann- und Schneider-Signalen erwerben. Diese sind zum Teil in einem sehr guten Zustand (danke Franz-Peter!), zum Teil aber auch von etwas schlechterer Qualität oder mit defekten Antrieben.
Da der Standard Viessmann 4551 Antrieb nicht sehr zuverlässig sein soll, möchte ich diese ausbauen und durch etwas anderes ersetzen. In diesem Forum, aber auch anderswo, sehe ich, dass viele Leute dafür Servomotoren nehmen, z.B. den SG90.
An einigen Stellen sehe ich aber auch, dass Leute Mikroschrittmotoren verwenden, um Weichen umzusetzen. Gute Beispiele, die mich inspiriert haben, sind:
- Langsamer Weichenantrieb für C-Gleis mit Schrittmotor und DCC Steuerung: ⏳ Langsamer Weichenantrieb für C-Gleis mit Schrittmotor und DCC Steuerung 💡
- Langsamer Unterflur Weichenantrieb für Roco Line mit Schrittmotor: Langsamer Unterflur Weichenantrieb für Roco Line mit Schrittmotor
- Mikro-Schrittmotor und die MobaLedLib: http://www.erich-wedeking.de/Modellbahn/...0MobaLedLib.pdf
- Micro-Schrittmotoren für bewegliche Stromabnehmer: https://forum.beneluxspoor.net/index.php...3#msg3222400193.
Diese Mikro-Schrittmotoren möchte ich nun zur Ansteuerung von Flügelsignalen verwenden.
Vielleicht nur der Vollständigkeit halber. Da Flügelsignale auf der Anlage relativ zerbrechlich sind, möchte ich sie letztendlich mit einer Variante des Wattenscheider Signalschachtes (https://www.fremo-net.eu/index.php?id=339) ausstatten, um sie relativ einfach ausbauen und ersetzen zu können. Der Schacht soll möglichst etwas kleiner ausfallen als die oben erwähnte Fremo-Variante, und ich werde ihn mit meinem 3D-Drucker drucken.
Aber zunächst zurück zu den Micro-Schrittmotoren. Diese gibt es bei Ali in vielen Varianten zu kaufen. Ich habe für meine Steppermotoren im "Classic motor Store" 0,97 € pro Stück bezahlt. Dazu kommen noch die Versandkosten. Allein in diesem Shop zähle ich 10 verschiedene Typen, die alle eine etwas andere Form haben und unterschiedlich teuer sind. Worin genau die Unterschiede bestehen, weiß ich nicht; was ich weiß, ist, dass diese Stepper von Kameraherstellern für den Autofokus von Objektiven verwendet werden. Auf jeden Fall kann ich jedem empfehlen, gleich genügend Motoren zu kaufen, denn es gibt keine Garantie dafür, dass man später genügend Motoren desselben Typs nachbestellen kann.
Die Größen der Motoren, die ich verwendet habe, sind auf dem Bild unten zu sehen. Mit fast 16mm Breite braucht der Motor ein deutlich größeres Montageloch als der 4551 Stellantrieb von Viessmann. Bei Aliexpress habe ich aber (später) auch schmalere Varianten gefunden.
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Der Motor kann eine Bewegung von etwa 8,7 mm machen; das ist also deutlich mehr als die etwa 3,5 mm Bewegung, die man für die Viessmann Flügelsignale braucht. Um die gesamten 8,7 mm zurückzulegen, braucht der Motor etwa 1740 Schritte. Pro mm also 200 Schritte. Für 8,7 mm werden also fast 22 Umdrehungen benötigt. Nach 1 Umdrehung sind 0,4 mm zurückgelegt, also 80 Schritte. Pro Schritt beträgt die Drehung also 4 Grad und die Wegstrecke 5 Mikrometer. Wie bei normalen Schrittmotoren ist es theoretisch sogar möglich, durch Microstepping eine 2-, 4-, 8- oder 16-fach höhere Genauigkeit zu erreichen. Dies scheint mir jedoch nicht nötig zu sein.
Allerdings ist zu bedenken, dass aufgrund des Spiels in den Lagern eine Genauigkeit von 5 Mikrometern in der Praxis niemals erreicht werden wird. Für die Steuerung von Flügelsignalen ist die Präzision jedoch mehr als ausreichend und sicherlich besser, als man sie mit Servomotoren erreichen kann.
Der Gleichstromwiderstand der Motoren beträgt etwa 14 Ohm. An verschiedenen Stellen habe ich gelesen, dass einige Leute diese Motoren direkt an einen Arduino anschließen und mit 5 V betreiben. Obwohl dies in einigen Fällen wahrscheinlich funktioniert, halte ich dies für eine schlechte Methode. Erstens kann der Arduino aufgrund der Stromspitzen, die beim Betrieb des Motors entstehen, kaputt gehen. Zweitens ist der benötigte Strom von mehreren zehn mA deutlich höher, als ein Arduino liefern kann. Und wenn aufgrund eines Programmierfehlers oder was auch sonnst der Impuls nicht rechtzeitig abgeschaltet wird, wird ein Strom von 5 (Volt) geteilt durch 14 (mA), also 350 mA, benötigt. Das überlebt kein Arduino.
Deshalb ist es (meiner Meinung nach) wichtig, einen Treiber zwischen dem Arduino und dem Motor zu haben. Diese gibt es in vielen Formen, aber ich habe mich für die bekannten A4988-Treiber entschieden, die man bei Ali für etwa 80 Cent kaufen kann. Diese sogenannten Stepstick-Platinen werden häufig für CNC-Fräsmaschinen und 3D-Drucker verwendet. Der A4988-Treiber ist schon lange auf dem Markt und es gibt durchaus bessere Treiber zu kaufen (DRV 8825, TMC2209). Diese neueren Treiber sind jedoch etwas teurer und haben keine zusätzlichen Vorteile für die Steuerung von diesen Mikroschrittmotoren.
Die Treiber benötigen eine Versorgungsspannung von mindestens 8V. Ich habe etwa 16 V genommen, damit ich das (gleichgerichtete) DCC-Signal verwenden kann. Für den Laien mögen 16V für diese Art von Motoren sehr viel erscheinen, aber man sollte wissen, dass die Treiber dafür sorgen, dass die Motoren nicht durch das Anlegen einer bestimmten Spannung, sondern durch das Senden einer bestimmten Stromstärke durch die Motoren gesteuert werden. Wenn man die Spannung an den Treibern erhöht, kann kurzzeitig mehr Strom durch die Motoren fließen, so dass sie mehr Leistung entwickeln können. Apropos Leistung: Diese Motoren haben mehr als genug Power für alle möglichen anderen Modellbahnanwendungen, wie zum Beispiel Weichen.
Auf den A4988-Schrittmachertreiberplatinen habe ich den maximalen Strom auf 400 mA begrenzt. Das scheint zunächst viel zu sein, aber für jeden Schritt wird nur ein sehr kurze Zeit Strom benötigt. Wenn die Motoren sich bewegen, liegt der durchschnittliche Strom bei etwa 60 mA.
Wie oben geschrieben, möchte ich die Schrittmotoren als Ersatz für die Viessmann-Antriebe 4551 verwenden. Dazu habe ich einen 3D-Halter entwickelt, der auf den Sockel der Viessmann-Signale passt. Unten ist ein Bild einer ersten Version dieses Halters zu sehen, mit dem Viessmann Antrieb daneben.
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Um einen Schaden am Flügelsignal zu vermeiden, sollte man darauf achten, dass die Bewegung nie mehr als 3,5 mm beträgt. Auf dem Bild unten ist deutlich zu erkennen, dass der Halter aus diesem Grund mit einer Nase versehen ist, die diese Bewegung auf 3,5 mm begrenzt. Man kann auch die kleine Schraube sehen, mit der die Stelldraht für die Bewegung des Signals fixiert wird. Dies geht ganz einfach: Wenn der Motor die obere Nase erreicht, hat er seine höchste Position erreicht. In dieser Position sollte sich das Signal in Ruhe befinden, und der Stelldraht kann einfach festgeschraubt werden. Eine weitere Justierung ist nicht nötig; das ist meiner Meinung nach (neben dem Preis) einer der größten Vorteile dieser Methode! Man braucht also nicht noch allerlei andere Schrauben und Muttern, um das Flügelsignal zu schützen.
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Vielleicht überflüssig zu erwähnen: man kann diese Schrittmotoren ohne weiteres für kurze Zeit gegen die mechanische Begrenzung unten oder oben laufen lassen. Dabei geht nichts kaputt. Man muss sich also auch nicht die Position der Signale am Ende einer Zugfahrt merken, sondern kann sie bei einer späteren Fahrt einfach eine Runde hin- und herbewegen, dann hat man sie wieder in einer definierten Position.
Ich habe alle Dateien, mit denen man die Halterung selbst mit einem 3D-Drucker erstellen kann, auf Printables.com eingestellt: https://www.printables.com/model/607339-microsteppers-for-model-train-signals-version-1
Es sollte erwähnt werden, dass dies eine erste Version ist, die ich schon einige Tage lang getestet habe, aber es handelt sich noch nicht um die endgültige Version. Ich möchte auch noch eine kleine Decoderplatine mit einem "Arduino-ähnlichen" Prozessor (AVR DxCore) und einem A4988-Treiber-IC entwickeln und anfertigen lassen. Dazu werde ich zu gegebener Zeit eine zweite Version entwickeln und die Platine für Interessierte über OSHWLab zur Verfügung stellen. Ich möchte dann auch eine kleinere Version des Wattenscheider Signalschachtes herstellen. Fortsetzung folgt also.
Bevor ich es vergesse: Ich habe auch ein Video gemacht, in dem ich alles noch einmal erzähle:
https://youtu.be/WzQ2PCh7Bec
Das war's für heute. Ich hoffe, dass dies andere dazu inspiriert, selbst mit dieser Art von Mikrosteppern zu experimentieren.
Viele Grüße,
Aiko