Sistema de Control de Motores para Trenes LGB

Actualmente estoy experimentando con algunos circuitos de control de motores para mi tren de jardín. He pasado mucho tiempo tratando de leer sobre los conceptos básicos del control de motores, y también he hecho algunos prototipos. Finalmente me he decidido por un diseño, pero tengo algunas preguntas diferentes que agradecería si alguien con experiencia pudiera ayudarme a responder.

La pregunta consta de dos partes: (a) una descripción general del sistema y (b) algunas preguntas sobre el diseño. Soy consciente de que esta es una pregunta compuesta, pero no pude encontrar una forma significativa de dividirlos.

Resumen del sistema

La idea es construir un sistema de control de ferrocarril de jardín simple. El jardín en cuestión es pequeño, ubicado remotamente. La única fuente de energía serán las baterías que traigo. El diseño también se automatizará con el tiempo, pero las locomotoras se controlarán manualmente, probablemente a través de un enlace de radio.

Cifra:http://avendi.se/stackexchange/dpower-system-overview.png

La vía se utilizará como un bus de energía: una batería LiPo o dos baterías de automóvil en serie se conectarán al riel para proporcionar energía a todo el material rodante y, en el futuro, a las lámparas, los interruptores, etc.

Las locomotoras tomarán energía de la vía, pero recibirán comandos de motor por radio. En el futuro, se espera que las locomotoras estén totalmente automatizadas.

Control de locomotoras

Cada locomotora estará equipada con un pequeño circuito de control. El propósito es poder accionar el motor de CC y controlar el accionamiento. El controlador se centra en un circuito de puente H (el L6202) y el control en un microcontrolador (el ATmega328).

Cifra:http://avendi.se/stackexchange/dpower-loco-control.png

Como se desconoce cómo se ha colocado la locomotora en la vía, un rectificador está primero en la línea para darnos una línea de alimentación de CC inicialmente. Esta energía luego se alimenta a dos reguladores de voltaje diferentes. Una es admitir el ATmega328 y cualquier solución de radio que se elija, y las otras son admitir el controlador del motor.

Preguntas

Ahora que he explicado el sistema completo, aquí están las preguntas:

  1. El regulador de voltaje para el microcontrolador (LM2937) deberá reducir el voltaje de aproximadamente 20 V CC a 5 V CC. Supongo que la mayor parte se convertirá en calor. Hay alguna manera de evitar esto?

  2. El microcontrolador no consumirá mucha corriente, pero el motor sí, y supongo que podría haber ruido y transitorios al arrancar y detener el motor. ¿Necesito proteger el microcontrolador (o su regulador de voltaje) de esto? ¿Si es así, cómo?

  3. ¿Cómo puedo proteger una LiPo de cortocircuitos u otros problemas? No quiero ningún incendio de LiPo.

Supongo que esas son las preguntas más importantes. Tengo un montón de preguntas más cortas, pero creo que las grandes preguntas. Si detecta otros problemas o mejoras, hágamelo saber.

¿Por qué no usa DCC? Para eso está diseñado y le brinda muchas funciones. en.wikipedia.org/wiki/Digital_Command_Control
Se me ha ocurrido la idea y me doy cuenta de que estoy bastante cerca del funcionamiento normal de DCC en mi diseño. En este momento, solo quiero ser realmente básico y comprensible. Quiero construir la electrónica yo mismo, y aunque podría construir un decodificador DCC, me resultaría mucho más difícil construir una estación de comando DCC y un amplificador. En teoría, podría obtener un componente listo para usar, pero el precio es significativamente más alto de lo que estoy dispuesto a pagar en este momento, y necesito encontrar una solución que no requiera un enchufe eléctrico de 220 VCA en el jardín. ¡Gracias por compartir!
DCC no tiene por qué ser tan complicado como podría pensar: usuaris.tinet.cat /fmco/dccgen_en.html, especialmente dado que todavía tiene "receptor de radio" como una caja negra. También es posible que desee investigar "Hornby Zero One", que fue un sistema británico temprano (finales de la década de 1970) que fue un simple precursor de DCC.
¡Gracias, ese fue un enlace muy valioso! Sin duda le echaré un vistazo. Si es tan simple como parece, podría convertir el control de la locomotora en un verdadero decodificador DCC. :-)
El receptor de radio probablemente será mi viejo transmisor y receptor de radio Hitec RC. El microcontrolador solo necesitaría decodificar el pulso del servo para uno de los canales para determinar la velocidad y la dirección.

Respuestas (2)

No me preocuparía por las pérdidas del regulador de voltaje del microcontrolador. Sí, la mayor parte de la energía se destina a producir calor. Pero, la corriente que necesita el microcontrolador será tan pequeña en comparación con los motores que probablemente no valga la pena preocuparse. Para obtener más detalles sobre cómo calcular cuánto calor habrá, consulte Mi regulador de voltaje lineal se está sobrecalentando muy rápido .

Sugeriría dejar caer el regulador de voltaje de los motores. Un motor impulsado por PWM ya es un convertidor reductor , por lo que siempre que no exceda el voltaje máximo del controlador, probablemente esté seguro. El voltaje nominal de los motores suele ser el voltaje continuo máximo que pueden soportar, pero el voltaje pico es mucho más alto, limitado básicamente solo por el aislamiento de los devanados. Mientras su controlador de motor esté haciendo su trabajo de limitar la corriente y, por lo tanto, la potencia y el calor al motor, un controlador de motor de mayor voltaje está bien. Agregar un regulador al sistema solo lo hace más ineficiente.

El motor generará ruido. Redúzcalo incluyendo muchos condensadores de derivación, desde pequeños alrededor de cada circuito integrado hasta grandes para alimentar el motor. Además, organice su PCB y cables para minimizar el área del bucle a través del cual viaja la corriente del motor. Esto minimizará la inductancia de ese bucle y, por lo tanto, reducirá su acoplamiento inductivo a todo lo demás en su circuito. Recuerde que la corriente del motor fluye no solo a través del suministro positivo sino también a tierra. Mantenga estas corrientes alejadas de la tierra del microcontrolador. Su motor es lo suficientemente pequeño como para que no requiera medidas extraordinarias más allá de un buen diseño y la práctica estándar para mantener el ruido a niveles razonables. Tengo una respuesta anterior sobre el ruido.con algo mas de detalle. Además, un regulador lineal generalmente tiene un mejor rechazo de ruido de la fuente de alimentación que un convertidor reductor: otra razón para conservar el regulador de 5V.

No soy lo suficientemente experto en baterías para abordar sus inquietudes más allá de los consejos básicos, como incluir un fusible. Esto parece algo que podría dividir fácilmente en una pregunta separada y obtener buenos consejos, si después de hacer una investigación básica necesita más aclaraciones.

¡Gracias por tu respuesta! Una pregunta de seguimiento: en el caso de que la locomotora esté inactiva y lo único que consuma energía en la vía sea la locomotora, ¿aguantará el regulador de voltaje del microcontrolador?
No veo por qué no lo haría.
Según el artículo vinculado sobre reguladores de voltaje, estoy en una situación similar. Tengo una caída de voltaje de 19 V y un consumo de corriente de aproximadamente 200 mA. El LM2937 es un regulador lineal. ¿Debería cambiarlo por uno cambiado?
Use un regulador conmutado si tiene espacio, sin duda. Estaba asumiendo que el sorteo sería más como 1ma para el microcontrolador, y había olvidado contar el receptor de radio.
@DavidPettersson 200mA parece mucho para un receptor de radio y un microcontrolador. Primero intentaría reducir eso, pero si eso no es posible, un regulador de conmutación comienza a tener sentido.

  1. Use un convertidor reductor para evitar la pérdida de energía al bajar el voltaje. Dimension Engineering tiene algunos buenos módulos y una excelente introducción aquí .

  2. Depende de su regulador específico, pero lo más fácil es colocar algunos condensadores tanto en la fuente de alimentación del motor como en los rieles electrónicos sensibles.

  3. Un fusible es el método de protección más fácil, pero requiere que lo reemplace cada vez que los rieles estén en cortocircuito. Un disyuntor de CC protegerá sus baterías y se puede restablecer después de un cortocircuito.

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