Alternatieven voor servo's

[Albert de Heer]

Even een korte inleiding :
Ergens tussen 2005 en 2010 heb ik een computer gestuurde baan gebouwd. Bestuurd door koploper en Mrdirect. De baan bestond uit 20 aaneengesloten blokken met een station en halverwege de 20 blokken een schaduwstation. Totaal zaten er rond de 20 wissels in de baan. De wissels werden bediend door originele roco wisselaandrijvingen of door oude PTT relais.
De hele baan bleek technisch zo betrouwbaar dat ik regelmatig even wegliep van de baan en alles gewoon door liet rijden.
Rond 2015 was de interesse minder en kreeg de kamer een ander doel, de baan werd gedemonteerd.

Inmiddels ben ik verhuisd en vorig jaar heb ik weer een baan opgebouwd, niet zo groot en min of meer in module vorm.  Net groot genoeg om te kunnen rijden maar voornamelijk om de huidige technieken uit te proberen. Wat die techniek betreft gaat het nu om de wisselbediening. Zoals bijna iedereen dat doet bedien ik op deze baan 12 gewone wissels en 2 engelse wissels met servo's. De engelse wissels zelfs met 4 servo's. Totaal had ik dus 20 servo's in bedrijf.
In tegenstelling tot mijn vorige baan heb ik heel veel moeite gehad om de baan betrouwbaar te krijgen. Steeds weer problemen met de servo's. De decoders bleken allemaal prima te werken, maar de servo's zelf kapten er regelmatig mee. Het meest vervelende probleem vind ik de servo's die het goed doen zolang je ze maar regelmatig gebruikt. Ik heb nu nog een paar servo's die dienst weigeren als de baan 2 weken niet gereden heeft. Beweeg je ze even met de hand heen en weer dan doen ze het weer, tot je de baan weer 2 weken uitzet.

Ik ben dus op zoek gegaan naar alternatieven die eigenlijk net zo makkelijk te gebruiken zijn als servo's.

Ik heb de voor mij interessante alternatieven maar eens op een rijtje gezet :
1. De originele aandrijving, in mijn geval van roco. Werkt in principe goed, maar gaat met een klap om en is naast het wissel niet echt mooi. Heb je er veel op je baan dan begint het geluid van die dingen irritant te worden.
2. Het oude PTT relais. Maakt veel minder geluid, maar gaat net zo snel om. De betrouwbaarheid is geweldig en de bediening kan met een simpele aan/uit decoder (wel aansturen met een aparte transistor oid) of schakelaar. Meestal hebben ze nog wel een paar contacten waar je het puntstuk gelijk mee kan schakelen. Onder het wissel heb je 7 tot 8cm hoogte nodig om ze te plaatsen.



Nog een nadeel van deze dingen is de beschikbaarheid.... Dat wordt steeds minder.

3. Als we toch modern willen doen nemen we een stappenmotor. Die kosten op ali ook weinig en zijn betrouwbaar. Ik heb inmiddels 4 servo's vervangen voor deze dingen :



Nadeel is de vrij complexe aansturing, je hebt 5 pinnen van een arduino nodig om ze goed te kunnen bedienen. 4 voor de motor en 1 voor de nulpunt detectie, hier nog net te zien als optocoupler :



Nog een paar voordelen : ze maken nagenoeg geen geluid en de snelheid is goed instelbaar. Het houdertje waar ze bij mij inzitten is maar een fractie groter dan een servo houdertje. Nog een nadeel is dat je per arduino nano of uno maar 3 van deze dingen aan kan sturen. En volgens mij zijn er geen decoders voor stappenmotors bij de reguliere merken te koop.
Toch ben ik zeer tevreden over de stappenmotoren, de 4 wissels die op mijn baan zo bediend worden hebben niet 1 keer gefaald. Dit zijn trouwens 28byj48-5V motortjes, deze hebben een tandwiel vertraging (in de eigen behuizing) en hebben hierdoor 2048 stappen nodig om 360graden te draaien. Door de tandwiel overbrenging kunnen ze niet heel snel draaien, maar wel heel langzaam. Precies wat je hier wilt.

Ondanks de goede resultaten met de stappenmotoren wilde ik iets maken wat qua techniek eenvoudiger is. Het liefst wilde ik iets met 1 ingang zoals een servo, maar dan moet ingang hoog overeen komen met wissel rechtdoor en ingang laag met wissel afbuigend. (of andersom, net wat je wil). En dan iets zonder microcontroller maar met gewone electronica, en liefst zo weinig mogelijk. En liefst goedkoop en mechanisch simpel.
Ik had op Ali al eens naar N20 of N30 motortjes zitten kijken. (als Lemaco en tortoise met dc motortjes kunnen werken dan kan ik dat ook  ). Kleine DC motortjes met een mechanische vertraging er op met metalen tandwieltjes. Allemaal hartstikke klein. Ik heb een paar van die N30 dingen gekocht. Goed opletten welke je koopt want er zijn nogal wat verschillende soorten vertragingen. De mijne draaien bij 6Volt 5 omw per minuut.
Eerst maar een prototype gemaakt :




Op de as van de motor zit een rond stukje aluminium waarop de verenstaal draad zit die het wissel laat bewegen. De schroefjes waarmee deze draad vastzit drukt ook gelijk de microswitches in.

Dit is niet helemaal het eerste prototype trouwens, deze heeft al transistors en het 1e prototype had alleen maar microswitches. De transistors vormen een H-brug waarmee de motor linksom en rechtsom gestuurd kan worden. De slag die motor maakt wordt grotendeels bepaald door de hoogte van de motor tov de microswitches. Hoe hoger de motor zit, hoe verder de motor moet draaien voor ie de microswitch indrukt.
Deze print heeft onder een testmodule gezeten en heeft daar foutloos zeker 500 wisselbewegingen gemaakt. Wat mij betreft een geslaagde constructie.

Inmiddels heb ik de electronica wat uitgebreid, de ingang heeft een optocoupler gekregen zodat de voeding van de motor nooit de uitgang van de decoder kan beschadigen. Tevens hoeft de spanning voor de motor dus niet gelijk te zijn aan die van de decoder. Op het printje zit inmiddels ook een relaistje om het puntstuk te schakelen, wat ledjes geven aan wat de motor aan het doen is, en het is zelfs mogelijk om de motorspanning te verlagen als de motor nog steeds te snel blijkt te draaien.



Om het nog universeler te maken is de print zowel horizontaal als verticaal te monteren. Verticaal heb je ongeveer 5cm hoogte nodig, horizontaal de helft. Deze laatste print is trouwens een N20 motortje, deze motor is iets kleiner dan de N30 maar ook meer dan sterk genoeg.

Zoals op de print te zien is is dit versie 5 inmiddels, het ging niet allemaal in 1 keer goed zullen we maar zeggen. Maar inmiddels doet de print exact wat ik wilde. Een enkele hoog/laag ingang, voeding 5V, stroomverbruik nihil, puntstuk schakeling, langzaam, stil en zeker niet duur.

Er is nog iets wat nog beter kan : de microswitches hoor je klikken, als er geen treinen rijden tenminste. Als je het relais ook gebruikt zijn dat per beweging 3 klikken. Als je de microswitches vervangt voor optocouplers vervallen die klikken. Op dezelfde schroefjes die nu de microswitches bedienen moeten vaantjes komen die tussen de optocouplers moeten vallen. Door de vaantjes breder of smaller te maken, of te draaien, kun je de slag dan ook beinvloeden.

Een testprintje met optocouplers is besteld maar nog niet binnen, wordt vervolgd dus.

[Bert55]

 Mooi verslag Albert, zie graag het vervolg.

[Klaas Zondervan]

Een knap stukje techniek, maar wel een beetje ingewikkeld om een wissel om te zetten.
Wat is het probleem met de servo's die je eerst gebruikte, zat het in de elektronica of weigerden de motortjes om te gaan draaien? En welke servo's waren dat?

Zoals je misschien weet gebruik ik gecastreerde servo's. Dat wil zeggen dat ik de elektronica er uit heb gesloopt en dus alleen een motor met tandwielkast overhoud. Onder mijn vaste baan zitten er nu 6, die draaien vrij frequent.
Onder mijn tentoonstellingsbaantje zitten er 8 en die staan tussen tentoonstellingen vaak een jaar stil. Maar die doen het altijd meteen na het opbouwen van het baantje.

Al eens gedacht aan de MP1 of een ander model van MTB? Die zijn we in grote aantallen aan het inbouwen onder onze clubbaan. Die heb ik ook nog nooit zien weigeren.

[Albert de Heer]

Een knap stukje techniek, maar wel een beetje ingewikkeld om een wissel om te zetten.
Wat is het probleem met de servo's die je eerst gebruikte, zat het in de elektronica of weigerden de motortjes om te gaan draaien? En welke servo's waren dat?

Zoals je misschien weet gebruik ik gecastreerde servo's. Dat wil zeggen dat ik de elektronica er uit heb gesloopt en dus alleen een motor met tandwielkast overhoud. Onder mijn vaste baan zitten er nu 6, die draaien vrij frequent.
Onder mijn tentoonstellingsbaantje zitten er 8 en die staan tussen tentoonstellingen vaak een jaar stil. Maar die doen het altijd meteen na het opbouwen van het baantje.

Al eens gedacht aan de MP1 of een ander model van MTB? Die zijn we in grote aantallen aan het inbouwen onder onze clubbaan. Die heb ik ook nog nooit zien weigeren.

Ik heb de SG90 en MG90 gebruikt, beide dezelfde problemen. Gebruik ze een paar weken niet en je moet ze eerst met de hand heen en weer bewegen en daarna doen ze het weer.

Als je de electronica uit de servo's sloopt hou je alleen een dc-motortje met tandwielkast over, dat begrijp ik. Maar hoe stuur je die dan aan?

Wel eens naar een MP1 gekeken, maar voor vond ze te duur voor de hoeveelheden die ik nodig ga hebben.

[Klaas Zondervan]

Mijn gestripte servo's stuur ik aan door er direct spanning op te zetten. Aan het eind van de slag gooit de arm een schakelaar om waardoor de motor stopt en de servo klaar is voor de terugweg. En die terugweg maakt hij doordat de spanning wordt omgekeerd. Een tweede contact op de schakelaar poolt het puntstuk om.

In één van mijn bouwdraadjes staat dit systeem beschreven. Even zoeken waar dit ook al weer was.

Hier dus: https://forum.beneluxspoor.net/index.php?topic=66995.90 vanaf reactie#98
Daar is nog een correctie op te vermelden. In het schema staan D1 en D2 als gemeenschappelijk voor alle servo's, maar dat gaf ongewenste koppelingen. Daarom heeft elke servo nu eigen diodes.

[Albert de Heer]

Ik had Without nog niet eerder gezien. Slim gemaakt, maar ik gebruik geen wisselspanning. Kan ook niet want dan kun je het wissel niet met een decoder aan sturen.

Mijn allereerste prototype bestond uit een motor, 2 microswitches en 2 diodes. Voeding ompolen zorgde voor omzetten van het wissel.

Om de motortjes met 1 bit (draad) te kunnen bedienen heb ik er een H-brug opgezet.
Het printje heeft eigenlijk 2 doelen :
1. om de electronica netjes te kunnen maken
2. om alles in mechanisch geheel onder de baan te kunnen plaatsen.

punt 1 is logisch, maar punt 2 vond ik zeker niet minder belangrijk.

[Olav]

Je kan toch een relais aan sturen door de decoder en via de contacten de wisselspanning aansturen? Ik heb weliswaar geen servos, nog niet, maar mijn wissels die wat zwaar werken, m-rails van marklin, stuur ik aan via een relais die via de contacten er gewoon wisselspanning op de betreffende wissel zet

[Albert de Heer]

Olav, dat kan allemaal, maar ik vraag me af of mijn printje er simpeler van wordt. Ik denk het eerlijk gezegd niet. 

Het huidige concept bevalt me goed, zeer goed zelfs. Komende week zullen de printjes voor de optocoupler-ipv-microswitches-versie wel binnenkomen. Daar ga ik er dan 2 van bouwen en vervolgens hang ik ze onder 1 van mijn modules. Ben benieuwd hoeveel geluid dat gaat schelen.

[roadster36]

Begrijp ik nou goed dat voor de al oude ptt relais eigen nog steeds geen goede vervanging is?

[Olav]

Ik heb die relais vroeger ook gebruikt. Ze deden het werkelijk altijd. Enige nadeel dat het verbruik nogal hoog is. Vroeger zelfs een draaikiezer gebruikt voor spoorselectie

[Klaas Zondervan]

Ik had Without nog niet eerder gezien. Slim gemaakt, maar ik gebruik geen wisselspanning. Kan ook niet want dan kun je het wissel niet met een decoder aan sturen.

Dat is waar. De wisselspanning gebruik ik ook alleen maar voor de voeding van de wisselmotoren. Voor de rest alleen maar schakelende voedingen waar gelijkspanning uit komt
Momenteel ben ik bezig een nieuw baantje te ontwerpen. Daarin ga ik de gestripte servo's ook aansturen met gelijkspanning. Ben nog aan het puzzelen hoe dat het beste te doen is.

[Albert de Heer]

Misschien kun je hier wat inspiratie aan opdoen 





De weerstanden R21, 23 en 31 zijn bij mij trouwens ook 6k ipv 10k.

[bask185]

Albert, ik vind het een goed idee. Ik had ook exact hetzelfde om precies die motoren te gebruiken. Ik vind alleen je uitwerking ingewikkeld

Mijn eerste concept heb ik geprototyped. Die werkt, maar het instellen van de slag is niet echt te doen. Hij had 4 schakelaars omdat 1 setje voor puntstuk polarisatie wordt gebruikt.
https://youtu.be/ZEB3dFeh9Yw

Daarom wilde ik net als bij MP1 ook een schuivende beweging. En zo heb ik v2 gemaakt.
https://youtu.be/213OExYTGZk

Nieuw is de schuif beweging. Deze kan ik heel nauwkeurig stellen. Ik heb ook streepjes gezet met een mm afstand zodat je de slag op voorhand tot op 1mm nauwkeurig kan stellen tot maximaal 12mm. En de montage gaten heb ik ovaal gemaakt zodat je hem na installeren ook nog zijdelings kan stellen. Voor het mooie moet er eigenlijk nog een 3D geprint kuipje onder komen.

Ik moet alleen 1 onderdeel 3D printen. Ik kon daar geen printplaat oplossing voor bedenken.
Ik had ook hele kleine limit switches gevonden die dubbel polig waren. Dat loste meteen het probleem voor puntstuk polarisatie op. Het grootste voordeel is dat het puntstuk tijdens de slag spanningsloos wordt gemaakt. Als je al zo'n mooie mechanische oplossing heb, vind ik het zonde om dan een relais te gebruiken voor de puntstuk polarisatie.

In de meest simpele opstelling, heb ik niks meer dan 2 diodes nodig. Hiermee kan ik ze via het two-wire principe aansturen, ofwel spanning ompolen. Die halve golf aansturing van Klaas kan dan ook.  Als ik er nog een beetje meer er op soldeer (2 transistor, 2 diodes, 2 weerstanden) dan kan je hem met 3 wire control aansturen. Daardoor wordt die geschikt om met een normale DCC decoder aan te sturen.

En je kan er dan ook mee wisselstraten stellen door gebruik te maken van een diode matrix.
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Daarin ga ik de gestripte servo's ook aansturen met gelijkspanning. Ben nog aan het puzzelen hoe dat het beste te doen is.

Inmiddels heb ik alles behalve de afdekplaat besteld (ik gebruik tijdelijk een basis printje als bovenkant). Dus ik kan volgende week een prototype maken. Moet alleen nog iemand strikken om iets de 3D printen voor me  .



Ik heb ook nog een alternatieve basis printplaat gemaakt met DCC decoder en H brug ingebouwd. Die kan je dan met 2 draden aansluiten op je baan en er komt een 3e draad voor het puntstuk.

de ingang heeft een optocoupler gekregen zodat de voeding van de motor nooit de uitgang van de decoder kan beschadigen

Ik snap dit niet helemaal? Dat ding heeft toch limit switches? Die schakelt mechanisch af.

maar ik gebruik geen wisselspanning. Kan ook niet want dan kun je het wissel niet met een decoder aan sturen.

Ik snap dit ook niet helemaal? Meestal als je al een decoder heb, die heeft zelf al een gelijkgerichte spanning. Sommige decoders laten zich voeden met zowel AC en DC. En de Lenz DCC decoder schakelt zelfs nog met AC. Dat is voor dit soort motoren nog gunstig ook omdat het je maar 2 diodes kost.

Als je de microswitches vervangt voor optocouplers

Dit vind ik eigenlijk een erg goed idee  , ik ga het niet zelf toepassen omdat..redenen. Maar als ik dat zou toepassen, zou ik een slotted sensor nemen.

https://www.oncque.com/ir-opto-isolated-slot-sensor-dpi050100.html

Mvg,

Bas

[Klaas Zondervan]

Misschien kun je hier wat inspiratie aan opdoen 

Nou, niet echt. Ik had toch iets veel simpelers in gedachten.

[Klaas Zondervan]

Dit is het idee dat ik wil toepassen:


De motor bevindt zich tussen twee contacten. Links is het stuurcontact SC. In mijn geval wordt dat een relaiscontact, maar het kan ook een handschakelaar zijn.
Rechts het eindcontact, EC. Dit contact zit op de aandrijving en wordt aan het eind van de slag door de servoarm omgeschakeld.

In de tekening staan beide contacten tegen GND, de motor doet dus niks.
Zetten we nu SC naar +5V, dan gaat er stroom door de motor lopen van links naar rechts.
De servo gaat draaien en zet een het eind EC om. De motor stopt omdat beide contacten tegen de +5V liggen.

Zetten we SC weer naar GND, dan gaat er stroom lopen van rechts naar links. De motor draait terug en aan het eind van de slag gaat EC weer naar GND.

Het is dus een soort H-brug van 2 contacten.

De 4 leds geven de gevraagde stand aan en de werkelijk stand. In rust staan de leds per paar gelijk, dus 1 en 2 of 3 en 4. Als de leds ongelijk branden, dan is de servo nog aan het omlopen.

Het principe van sturen en terugmelden over dezelfde draad werkt hier niet meer. Vanuit het knooppunt tussen de motor en EC moet een extra draad naar het bedienpaneel om de leds 2 en 4 te voeden.