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Servoantrieb für Modellbahnweichen, Schranken und andere bewegte Objekte
Da ich kein Interesse an den sehr teuren digitalen Steuerungen der Industrie hatte und ich durch meine langjährige Arbeit in der Elektronik/Informatik eine ausreichende Erfahrung zum Aufbau und zur Koordinierung von relativ autonomen Baugruppen habe, habe ich mich entschlossen eigene Baugruppen zur Steuerung meiner, im Bau befindlichen, Modellbahnanlage zu entwickeln. Das ist alles, wie auch die hier beschriebene Antriebsbaugruppe, sicher nicht der Weisheit letzter Schluss und sollte mit Überlegung nachgebaut werden. Konstruktive Kritik ist immer gefragt.
 
Konzept
Im Zentrum der Entwicklung eines universellen Antriebes stand eine konfigurierbare Elektronik zur Steuerung eines Servo-Getriebes. Als Servo sollte ein sehr billiges Modell aus China dienen. Eine Einschränkung ist die geringe Auflösung von ca. 2,5° der Servos.
Will man den Servo sehr langsam bewegen kommt es zu leicht ruckartigen Bewegungen.
Die Hauptforderung für die Baugruppe war:
- geringer Strombedarf (bei ca. 35 Weichenantrieben )
- einfache Ansteuerung durch elektronische Systeme/Computer
- beliebige Drehwinkel bis 180° einstellbar
- Drehgeschwindigkeit einstellbar
- Modus Rechts- und Linksanschlag oder analog (spannungsgesteuert)
- sichere Endabschaltung des Antriebs
- Unterfluranordnung
- Rückmeldekontakte (potentialfreier Umschalter)
- Rückmeldeausgang (digital)
- Einsetzbarkeit für diverse Weichensysteme und sonstige
- Herstellbarkeit mit Werkstattmitteln
3D-Drucker, Leiterplattenherstellung, PIC-Entwicklerumgebung
Will man alles selbst bauen, braucht man Technik zur Herstellung von Leiterplatten, einen spitzen Lötkolben und einer Lupe zum Aufbau der Leiterplatte mit SMD-Bauteilen, einen 3D-Drucker, zur Erstellung der Mechanikteile, und ein Programmiergerät für den PIC-Controller von Microchip. Macht man alles selbst und kauft die Bauteile, wie in meinem Fall hauptsächlich in China (eBay), so liegt der Preis der Baugruppe bei ca. 6-7 €, die Arbeitszeit ist dabei nicht eingerechnet.
 Zur Realisierung sollte ein motorischer Antrieb der Weichen zur Anwendung kommen. Die optimale und einfachste Variante ist ein gut verfügbarer Servomotor. In China sind über eBay die 9g-Servos zum Preis von ca. 1,50€ zu bekommen.
Zu Anfang versuchte ich mit OPV oder NE555 die Ansteuerung zu erstellen, jedoch war die Stabilität der Impulse zur Steuerung der Servos nicht stabil genug. Störungen auf der Betriebsspannung führten zu leicht instabilem Verhalten des Servos.
Die vorliegende Lösung benutzt nun einen Microprozessor PIC12F683, der trotz des 8-poligen Gehäuses ausreichend zur komfortablen Steuerung des Servos ist. Das Ergebnis ist eine Steuerung, die sich auf viele Situationen, durch Programmierung, einstellen lässt.
Die Mechanik-Baugruppe
 Die Mechanik des Antriebs ist ein recht kompliziertes Bauteil aus einem 3D-Drucker (Vellemanns K8200). An diesem Teil werden die Leiterplatte und der Servomotor montiert. Die Befestigung des Servos erfolgt mit 2 M2 Schrauben. Die Leiterplatte wird mit 2mm Treibschrauben befestigt.
Der mit dem Servo gelieferte Stellhebel (links) wurde zurechtgestutzt und mit dem Stelldraht versehen, der in die Stelleinrichtung der Weiche eingreift.
 
 Bei den Trix-Weichen muss man ein 0,8mm Loch in den Kopf des Stellhebels bohren, in das dann der Stelldraht aus 0,4mm Stahldraht eingreift. Man kann auch in den Stellbalken der Weiche ein 0,8mm Loch bohren, in das der Stelldraht gesteckt wird. Der Antrieb wird dann im rechten Winkel zur Weiche montiert.
Die Elektronik
 Die Elektronik der Weichensteuerung besteht aus der Stromversorgung mit 2 Spannungsreglern, dem Mikroprozessor PIC12F683 und dem 9g-Servo. Die beiden Dioden mit den angeschlossenen Kondensatoren, dienen dem Verpolschutz und der Unterdrückung von Störimpulsen. Das Poti braucht nicht bestückt zu werden, es wurde nur für Tests benötigt. In einer Variante des Antriebs kann ein externes Poti angeschlossen und über den Analogeingang am PIC ausgewertet werden. Die LED auf der Platine dient der Anzeige des Programmiermodus für den Antrieb, der im Absatz “Software“ beschrieben wird.
Es kann jetzt auch ein Datei-Paket der Leiterplatte im Gerber-Format heruntergeladen werden. Mit Hilfe der Dateien kann man, bei einem kommerziellen Hersteller, die Leiterplatte in guter Qualität herstellen lassen. Die Leiterplatten unterliegen meinem Copyright dürfen aber ausschließlich zur privaten Fertigung und Nutzung verwendet werden.
Das Dateien-Paket zum Download Gerber-UNI-Servo zur Beauftragung einer Firma zur Fertigung. (Hinweis zur Fertigung einer Platine)
Die Kontakte 1-5 der Buchsenleiste BU1 verbinden den Prozessor mit dem Programmiergerät ICD2, Die Kontakte 4-6 werden auch für die Bedienung und die Stromversorgung, sowie die Rückmeldung, benutzt. Während der Programmierung des PIC's darf die normale Betriebsspannung nicht angeschlossen sein.
Der Kontakt 1 an BU1 stellt den Modus zur Einstellung des Antriebs ein und ist im Normalbetrieb nicht angeschlossen.
Weiterhin befindet sich ein Mikrotaster auf der Platine, der vom Servo betätigt wird und über ST5 zur potentialfreien Verwendung zur Verfügung steht. Wird er nicht benötigt, kann dieser Teil der Platine abgetrennt werden.
Zum Paket gehört noch eine kleine Zusatzplatine, mit der man, mit Hilfe von 3 Tasten und einer LED, die Elektronik einstellen kann. Die Platine beinhaltet 3 Tasten, die ProgTaste, die Taste T1 und Taste T2, und eine LED zur Anzeige der Stellung des Servomotors (Rückmeldung). Es kann damit die Stellgeschwindigkeit, der Stellwinkel und die Lage des Stellwinkels, im 180°-Bereich des Servos festgelegt, werden.
   
Im Unterlagenpaket befinden sich die Positive der Leiterplatten (1:1 mit 2400dpi Auflösung) zum Ausdrucken auf Klarsichtfolie zum Belichten der Leiterplatten.
Alle Einstellungen und auch die letzte Lage des Servos werden im PIC gespeichert und nach dem Einschalten wiederhergestellt.
Die Software
Die Funktion des Servoantriebs wird ausführlich in den Programmablaufplänen (PAP) und im umfangreich kommentierten Assemblerquelltext beschrieben.
In der Software werden alle Funktionen des Weichenantriebs realisiert.
Ist der PIC frisch programmiert geht der Servo nach dem Einschalten der Elektronik in Grundstellung. Durch einmal drücken der Taste TAProg (BU1 Pin1 auf 0V) geht der PIC in den Einstellmodus und die LED leuchtet dauerhaft. Es kann nun mit den Tasten T1 und T2 die Einstellgeschwindigkeit erhöht(T2) bzw. verringert(T1) werden. Mit einem weiteren Drücken der Taste TAProg kann nun mit den Tasten T1 und T2 der eine Anschlag eingestellt werden. Mit einem weiteren Drücken der Taste T3 kann mit den Tasten T1 Und T2 der andere Anschlag eingestellt werden. Nach erneutem Drücken der Taste T3 schaltet der PIC wieder in den Normal-Modus. Die LED verlischt und man kann mit den Tasten T1 und T2 den Servo hin- und herschalten. Da man mit der Einstellung die Lage der beiden Anschläge beliebig innerhalb der 180° Drehwinkel, festlegen kann, ist der rechte oder linke Anschlag auf die Tasten TA1/TA2 beliebig festlegbar. Es ist auch möglich, durch diese Einstellung links und rechts zu vertauschen und damit der Rückmeldung, beim Einsatz als Weichenantrieb, einen festen Pegel der Abzweigstellung zuzuweisen. An BU1/5 wird im digital-Modus die Lage des Servos angezeigt (Rückmeldung).
!!! Legt man den rechten und den linken Anschlag auf den gleichen Punkt, so scheint der Antrieb nicht zu Funktionieren !!!!
Beim derzeitigen Stand (07/2017) gibt es noch einen Analogmodus, der durch Aufstecken des Jumpers JP1, vor dem Einschalten der Betriebsspannung, erreicht wird. Es wird dann die Spannung am internen oder externen Poti abgegriffen und bewertet und auf die Stellung des Servos umgerechnet. Es kann auch eine Spannung über ST1/Pin5 bewertet werden, die zwischen 0V und 5V liegen muss.
Die Stellgeschwindigkeit, die im digital-Modus eingestellt wurde, kommt auch im analog-Modus zur Anwendung. Im analog-Modus wird immer der gesamte Drehbereich (ca. 180°) des Servos über die 0 - 5Volt an BU1/5 umgesetzt.
Im Unterlagenpaket befinden sich die Programmablaufpläne und das Projekt zur Erstellung der Software im Programm „MPLAB IDE v8.92“. Mit einem passenden Programmiergerät kann der PIC programmiert werden.
Mit einem Programmiergerät „MiniPro Programmer TL866“ aus China, für 40 - 80€, kann man das .hex-File in den PIC schreiben.
Die Leiterplatte
Die Leiterplatte ist einseitig ausgeführt und auf beiden Seiten bestückt. Auf der Leiterseite werden SMD-Bauelemente der Bauform 1206 verwendet. Auf der Bauelementeseite werden einige bedrahtete Bauelemente verwendet. Die Lötarbeiten sollten mit einem geregelten sehr spitzen Lötkolben erfolgen. Eine Pinzette zum Halten und Ausrichten der Bauelemente und eine mindestens 3-fache Lupe zur Verbesserung der Sicht sind fast zwingende Voraussetzung zum Bestücken der Leiterplatte.
  
Technische Daten
Abmessungen (LxBxH) 48x45x28mm
Spannungsversorgung 8 -15V=
Stromaufnahme in Ruhe 10mA
bei Verstellung 150mA
Bauelemente
Hauptplatine
3x Widerstand SMD 1206 1k
1x Widerstand SMD 1206 10k
3x Widerstand SMD 1206 100k
1x Mini-Trimmer stehend 10k
3x Brücke SMD 1206 0R
3x Kondensator SMD 1206 1n
7x Kondensator SMD 1206 100n/16V
3x Kondensator SMD 1206 22µ/6,3V
2x Schottky-Diode MBR 0540 SMD SOD123
bei Verwendung anderer Schottky-Dioden
auf UF < 0,3V achten
2x Diode SMD 1N4148
1x Diode 1A beliebiger Typ
1x Spannungsregler 7805 1A TO-220
1x Spannungsregler 78L05 TO-92
1x Prozessor PIC12F683 DIL China ca. 0,90€
1x Mikroschalter OMRON D2F-L China ca. 0,20€
1x Servo 9g-Servo analog China ca. 1,50€
diverse Stecker-, Buchsenleisten
Zusatzplatine
3x Taster
1x LED
1x Widerstand SMD 1206 1k
1x Pfostenstecker 90° 6 Kontakte
letzte Änderung 29.09.2020
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