Commande d’aiguillage à mouvement lent.

Une commande à mouvement lent pour les aiguillages, les barrières de passages à niveau, les portes de remises, les grues, etc.

La commande des aiguillages fait encore souvent appel, et ce depuis l’installation d’un mécanisme électrique, à des électro-aimants à noyau plongeur pour actionner les lames d’aiguille.

Ce système dont l’efficacité et la simplicité sont reconnus depuis longtemps a cependant des défauts de moins en moins acceptables.

  • La consommation des électro-aimants peut monter à 1A voire plus, ce qui rend très problématique la commande simultanée de plusieurs aiguillages.
  • Le mouvement des lames est quasi instantané, bien loin du mouvement des aiguillages réels.
  • Le changement de position s’accompagne d’un claquement sec très bruyant à l’heure ou l’on installe des sonorisations de plus en plus réalistes dans les locomotives.
  • L’application à d’autres utilisations que la commande des aiguillages n’est pas probante.

Ceci n’empêche pas la présence de ce type de commande chez les principales marques, y compris chez Peco.

Des solutions ont été mises en place depuis telles que :

  • la commande à distance manuelle par un mécanisme de tringleries.
  • les fils à mémoire de forme qui ont occupé les experts pendant longtemps et à la mise en oeuvre plutôt délicate.
  • le déplacement par un moteur équipé d’un réducteur de vitesse.

C’est l’utilisation du moteur qui va nous intéresser ici puisque le prix d’un tel dispositif devient compétitif comparé à la solution ultra économique des électro-aimants.

Si le choix du moteur se révèle assez simple puisque n’importe quel moteur électrique peut convenir,

Pour le moteur il est aussi possible d’utiliser une moteur pas à pas. Il permet de contrôler la vitesse tout comme l’angle de déplacement directement sans système mécanique supplémentaire. Les moteurs pas à pas restent cependant un peu plus onéreux que leurs homologues à courant continu. Ils nécessitent une carte de contrôle spécifique, qui ne présente aucune complexité particulière mais très peu utilisée dans le domaine du modélisme ferroviaire.

La question de la mécanique est plus pointue.

Trois systèmes mécaniques peuvent être envisagés :

  • un système pignon crémaillère qui nécessite un réducteur pour ramener la vitesse à la bonne valeur.
  • un système à vis sans fin qui peut éventuellement se passer d’un réducteur.
  • un système de type manivelle bielle qui fera l’objet de la suite de cet article.

Les deux premiers systèmes ont fait l’objet de productions artisanales et semi-industrielles telles que Conrad pour le premier ou Tortoise et Fulgurex pour le second.

Pour le mécanisme de type manivelle bielle nous avons à notre disposition un équipement qui fait l’objet d’une production industrielle standardisée, à la fiabilité exceptionnelle, qui est prévu pour fonctionner dans les conditions les plus sévères.

Il résiste aux vibrations, aux chocs et il est étanche à la poussière et autres polluants atmosphériques et son prix est des plus abordables du fait de la production industrielle.

Vous aurez compris qu’il s’agit du servo-moteur utilisé dans de nombreux domaines tels que la robotique, les applications industrielles ou le modélisme radio-commandé.

Le servo-moteur dont l’usage industriel est quasi généralisé semble avoir des difficultés à percer dans notre hobby et pourtant il dispose encore d’un atout qui n’est concurrencé par aucun autre système et qui répond à un besoin impératif dans le modélisme ferroviaire : on peut définir la position exacte dans laquelle le servo doit se placer.

Il est aussi très facile de faire varier la vitesse de déplacement du servo.

Une limite du servo moteur qu’il convient de mentionner réside dans l’impossibilité de faire un tour complet pour la plupart d’entre eux et dont l’excursion est limitée à un angle compris entre 0° et 180° ou parfois entre 0° et 270°.

Sa percée dans le modélisme ferroviaire semble surtout retardée par l’idée que l’on peut se faire au sujet de la difficulté de sa commande.

Description du mécanisme à mouvement lent toutes échelles.

Ce mécanisme permet de commander des aiguillages, des barrières de passages à niveau, des grues, des grues à eau, des portes de remises, etc.

Il est livré en kit complet à monter par l’acquéreur.


Deux sens de montage sous la table sont possibles, ce qui permet de nombreux mouvements :

  • oscillation pour commander les lames d’aiguillage par exemple
  • translation pour commander des barrières roulantes par exemple
  • rotation pour commander des portes par exemple
  • traction
  • poussée

De nombreux réglages mécaniques sont possibles tant pour l’amplitude des mouvements que pour la force que le servo peut exercer.

L’utilisation de tiges de commande en corde à piano permet de disposer d’une élasticité qui dépend du diamètre de la corde à piano utilisée.

Le mécanisme dispose de contacts auxiliaires en fin de course avec un pouvoir de coupure de 5 ampères, ce qui est largement suffisant pour les utiliser pour alimenter les pointes de coeur des aiguillages par exemple.

La position des contacts auxiliaires peut être réglée individuellement. La configuration du mécanisme est prévue pour actionner les contacts auxiliaires pour un angle de déplacement maximum de +20° et -20° environ. Cet angle de déplacement est largement suffisant pour commander des lames d’aiguillages. Pour des déplacements plus importants du servo, il sera nécessaire de coller de petites plaques de plastique sur les palettes des contacteurs pour en augmenter la surface de contact, faute de quoi le palonnier du servo ne pourra plus les actionner.

Commande à mouvement lent pour aiguillages, passages à niveau, portes de remises, grues à eau, grues, etc

Ce mécanisme est à base de servomoteur 9g, ce qui offre une excellente fiabilité au mécanisme. Ce type de servo est d’usage universel et répond aux standards de fabrication industriels.
Deux types de servo sont proposés, l’un avec engrenages en plastique, l’autre avec engrenages en métal.

Le support permet d’accueillir les servo de toutes marques à ce format standardisé, selon le goûts et les préférences de chacun.

 Notice-de-montage-commande-par-servo

Une interface de commande pour le servo.

Solution commerciale.

Une solution commerciale existe déjà chez Esu avec le Switch Pilot.

Programmes disponibles en partage sur internet.

Plusieurs programmes sont disponibles en partage sur internet, certains intègrent même la fonction de décodeur numérique pour accessoires comme par exemple celui-ci : Lien vers le programme Arduino pour la commande d’aiguillage, le fichier est nommé « Quad_Servo_Arduino_Sketch.zip »

Carte de commande analogique spécifique pour le mécanisme à mouvement lent.

En effet la position du servo est définie par une impulsion électrique de 5V d’une durée comprise entre 1 et 2ms, la position étant proportionnelle à la durée de l’impulsion. Cette impulsion doit se répéter toutes les 20mS, sa fréquence est donc de 50 Hz.

Les dispositifs de commande sont nombreux depuis les circuits à base de l’universel NE555, jusqu’aux commandes numériques. Tout ceci peut rebuter les novices en électronique et constituait jusqu’à maintenant un frein à l’utilisation du servo-moteur en modélisme ferroviaire.

Il existe en effet un dispositif universel mis à disposition des amateurs pour programmer très facilement un micro-contrôleur, c’est l’Arduino qui comprend l’environnement de développement intégré ainsi que les cartes electroniques prêtes à l’emploi.

Pour notre usage, nous opterons pour une carte Arduino nano dont le prix défie toute concurrence et qui dispose de suffisament d’entrées et de sorties pour commander en théorie jusqu’à 12 servo-moteurs. Pour ne pas avoir à ajouter de composants supplémentaires, il vaut mieux se limiter à 4 servo-moteurs.

Compte tenu du prix de la carte Arduino nano, l’option 1 carte de contrôle par mécanisme de commande a été préférée.

N’ayant pas trouvé de programme de ce type et pour répondre aux besoins spécifiques d’une commande universelle convenant à la commande des aiguillages tout comme à l’ouverture et à la fermeture des portes d’une remise ou au mouvement des barrières d’un passage à niveau en passant par l’articulation d’une grue à eau ou d’une grue de manutention, l’auteur a développé le programme permettant de régler le servo à sa convenance :

  • Il est possible de régler les angles de déplacement max et min tout comme la vitesse du déplacement.
  • Il est aussi possible d’utiliser les potentiomètres de limite de déplacement pour que le mouvement du servo suive le déplacement du potentiomètre sur 90° par défaut (cet angle est modifiable bien sur en modifiant une seule variable dans le programme).
  • Le fonctionnement classique permet de changer la position du servo à chaque appui sur un bouton poussoir.
  • Le cavalier sur D3, par sa présence ou son absence, permet de choisir la position initiale du servo à la mise sous tension.
  • Le cavalier sur D4 active lorsqu’il est présent les fonctions d’ajustements des déplacements mini et maxi ainsi que de la vitesse par les potentiomètres.
  • Ce programme fonctionne seulement en commande analogique.
  • Pour le fonctionnement basique, sans le cavalier sur D4, les potentiomètres peuvent être supprimés.
  • la résistance, et la LED permettent un renvoi de signalisation de la position de l’aiguillage (TCO), la LED intégrée sur la carte Arduino nano permet de s’en passer pour une visualisation sur le mécanisme.

Compte tenu de la simplicité du montage, chacun procédera au câblage comme il l’entend et selon le type de bouton poussoir et de potentiomètres choisis (en volant, sur une plaquette pastillée, en réalisant son propre circuit imprimé, etc.).

L’alimentation se fait sous 5V, le raccordement à une tension de 12V est destructif pour la carte comme pour le servo.
L’alimentation peut aussi se faire par l’intermédiaire du port USB sur la carte Arduino (préférer un bloc chargeur et éviter le raccordement sur le port USB de l’ordinateur) mais dans ce cas il ne faudra pas oublier d’alimenter aussi le servo en le branchant par exemple sur les broches +5V et GND de la carte.

Alimentation 5V pour commande servoAlimentation 20 W 5 V Ultra mince à sortie unique

Sans plus attendre, voici le schéma de câblage nécessaire pour réaliser toutes ces fonctions.

Schéma de câblage de la commande de servo avec Arduino nano

Voici les principales caractéristiques techniques de ce programme :

  • Contrôle pour 1 servo en commande analogique. Ne convient pas pour les commandes numériques.
  • Commande par bouton poussoir sur l’entrée D2 avec le 0V(avec dispositif anti-rebond).
  • Commande de l’aiguillage au relâchement du bouton.
  • Servomoteur commandé par la sortie D9.
  • Témoin de signalisation de la position de l’aiguillage sur la sortie D13 (visualisation par défaut avec la diode intégrée sur la carte Arduino).
  • Déplacement lent par pas de 1 degré.
  • Le positionnement initial de l’aiguillage peut être choisi en connectant l’entrée D3 au 0V ou non.
  • Tension d’alimentation : 5V, Consommation de courant : dépend du servo utilisé, généralement de l’ordre de 100mA

 
Toutes les valeurs ci dessous sont données à titre indicatif et dépendent du servo utilisé. Les valeurs données correspondent typiquement à un servo ayant une plage de déplacement de 0 à 180°, d’autres paramètres pouvant aussi modifier ces valeurs.
En fonctionnement basique :

  • le déplacement du servo va de 75° à 105°, soit une excursion de 30° (sur la base d’un servo-moteur dont la position centrale est à 90°).
  • le déplacement se fait en 600ms.

 
Les limites maxi et mini du déplacement ainsi que sa vitesse sont paramétrables en connectant l’entrée D4 au 0V :

  • La limite mini du déplacement est réglable de 0° à 89° par pas de 1° au moyen d’un potentiomètre de 10k branché sur l’entrée A1 (tension de la broche A1 comprise entre 0V et 5V).
  • La limite maxi du déplacement est réglable de 91° à 180° par pas de 1° au moyen d’un potentiomètre de 10k branché sur l’entrée A2 (tension de la broche A2 comprise entre 0V et 5V).
  • La vitesse du déplacement est réglable de 10 à 100ms par degré de déplacement par un potentiomètre de 10k branché sur l’entrée A0 (tension de la broche A0 comprise entre 0V et 5V).
  • Le temps de déplacement mini pour une excursion de 180° est par conséquent 10 x 180 / 1000 = 1,8s.
  • Le temps de déplacement maxi pour une excursion de 180° est par conséquent 100 x 180 / 1000 = 18s.

Note importante :
A la mise sous tension, le déplacement du servo est rapide.
Les déplacements constatés dépassent parfois les limites mini ou maxi de l’excursion, le dispositif commandé doit impérativement être raccordé avec un système élastique ou avec un système à ressort.
Après l’état transitoire à la mise sous tension, le servo se met en position centrale puis rejoint la position définie au départ selon que l’entrée D3 soit reliée au 0V ou non.

Une carte Arduino nano avec ce programme chargé en mémoire peut-être fournie avec le mécanisme de commande sur ebay.

Les utilisations de la commande à mouvement lent.

 

Avis des utilisateurs.

F*****s A. – 01/05/2018 – Mécanisme + carte de contrôle Arduino.

super produit très bien emballé rien à dire que du bonheur.

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