Train miniature Asservi par Ordinateur (T.A.O.)

Ó Laurent MARIE 1997-1998 en association avec LOCO-REVUE

Reproduction et traduction interdites

 

 

T.A.O.

Train miniature Asservi par Ordinateur

(suite et fin)

 

En complément du logiciel T.A.O., je vous propose de réaliser une carte d'asservissement de vitesse permettant de relier votre PC au réseau miniature. Ce petit module pourra être avantageusement utilisé sans le PC et vous permettra de réguler la vitesse dun trainà petit budget .

 

 

Texte et illustrations : Laurent MARIE

 

Vous venez de découvrir la simulation appliquée à un train. Mais votre convoi est prisonnier de l'écran de l'ordinateur : il s'agit d'un train virtuel. Si la "virtualité" est à la mode, les modélistes n'en demeurent pas moins matérialistes. L'intitulé même du projet T.A.O. ne signifie-t-il pas Train miniature Asservi par Ordinateur ? Les puces des ordinateurs sont capables de prouesses mais manquent sérieusement de puissance. On ne peut connecter directement le système informatique à la voie ferrée. Il est donc nécessaire de concevoir un module électronique qui interprétera les consignes de l'ordinateur, contrôlera l'allure de la locomotive et lui fournira l'énergie nécessaire.

Le logiciel T.A.O. est conçu de façon modulaire pour utiliser, au maximum, des composants, logiciels et matériels, disponibles dans le commerce, l'objectif étant d'aboutir à la réalisation la plus simple possible.

Mais vous ne possédez pas d'ordinateur et à priori le programme T.A.O. vous semble bien complexe. Qu'importe, ce petit module vous permettra d'asservir la vitesse d'un train à partir un simple potentiomètre rotatif.

 

TABLE DES MATIERES

LE PROJET T.A.O.

L'ASSERVISSEMENT DE VITESSE

COMMENT ÇA MARCHE ?

LE SCHEMA ELECTRONIQUE

LA COMMANDE MANUELLE

LA LIAISON AVEC T.A.O.

LE CIRCUIT IMPRIME

LA NOMENCLATURE

LE COUT DU MONTAGE

LE MATERIEL NECESSAIRE

LE MONTAGE

REGLAGES DE L'ASSERVISSEMENT

1) Asservissement très lâche :

2) Asservissement moyen :

3) Asservissement pointu :

4) Limite de stabilité :

REGLAGES PARTICULIERS

UTILISATION AVEC LE PROGRAMME T.A.O.

MESURES DE PERFORMANCES

1) Préparation :

2) Protocole de mesures :

3) Exploitation des résultats :

4) Interprétations :

CONCLUSION

BIBLIOGRAPHIE

 

LE PROJET T.A.O.

Le projet T.A.O. a pour objectif de simuler les évolutions d'un train réel et de les reproduire sur un réseau miniature. Si vous attachez une grande importance au réalisme de votre matériel roulant et du décor, n'oubliez pas le réalisme lié aux accélérations et ralentissements d'un train. Si on peut qualifier le premier thème de réalisme statique (il atteint parfois un niveau qui laisse rêveur), le deuxième sera considéré comme dynamique. Celui-ci n'est que rarement abordé de façon stricte, notamment en raison du nécessaire tassement des échelles lié à l'exiguïté de nos habitations.

Cependant, un train miniature ne peut en aucun cas être comparé à un train réel. Les masses en jeu, les frottements, les moteurs, les rapports d'engrenages, tout est différent sauf, bien évidemment, l'apparence. Si le modèle réduit doit adopter un comportement proche de la réalité, il est nécessaire d'utiliser un programme de simulation (T.A.O.) pour intégrer la plupart des phénomènes agissant sur une locomotive et son convoi. La vitesse calculée en temps réel devra alors être respectée par le modèle réduit. Il troquera alors ses accélérations brusques de jouet contre les allures plus posées d'un Train. Et, le seul moyen d'y parvenir est de réaliser un asservissement capable de contrôler instantanément la célérité du modèle. Il gommera alors tous les creux et bosses des réseaux afin que la locomotive n'obéisse plus qu'à l'ordinateur.

Exemple de plate-forme T.A.O. :

ΠDisquette de livraison T.A.O. (Train miniature Asservi par Ordinateur)

 CD-ROM d'installation du système d'exploitation LINUX

Ž Ordinateur multimédia de type compatible PC

 Souris Microsoft

 Câble de liaison vers le module d'asservissement

Module d'asservissement de vitesse

Câble de liaison vers la voie

La voie de tests

 

L'ASSERVISSEMENT DE VITESSE

Le cahier des charges de ce module devra satisfaire les contraintes suivantes : une locomotive, quelle que soit sa marque et sans aucune modification, devra pouvoir suivre les consignes de vitesses de l'ordinateur.

Il existe plusieurs méthodes pour asservir la vitesse de rotation d'un moteur, et par conséquent, d'une locomotive. Les plus communes sont basées sur l'utilisation de tacho-génératrices ou de codeurs optiques. Une autre méthode beaucoup plus récente exploite les pics de courant liés à la rotation du moteur. Ces trois méthodes fournissent d'excellents résultats car elles se basent toutes sur la mesure de la vitesse réelle du moteur. Cependant, aucun de ces principes ne peut être retenu en modélisme ferroviaire. Ils nécessitent tous la modification des modèles réduits pour inclure le capteur de vitesse et la logique d'asservissement. Les contraintes de réalisation sont telles, qu'à la connaissance de l'auteur, aucun constructeur ne s'est jamais risqué dans cette voie. Il existe par ailleurs deux alternatives basées sur la connaissance des propriétés des moteurs à courant continu utilisés dans nos modèles : régulation de courant et mesure directe de la force électromagnétique du moteur. Les régulateurs de vitesse disponibles chez les détaillants utilisent d'ailleurs ces principes.

 

COMMENT ÇA MARCHE ?

C'est somme toute très simple, mais un bref rappel théorique s'impose.

Tous les trains électriques utilisent des moteurs à courant continu (sauf Märklin). Ce type de moteur, simple d'emploi, se caractérise par une vitesse de rotation à peu près proportionnelle à la tension appliquée à ses bornes. Le problème est qu'il y a un "à peu près". Les électriciens y ont vite remédié. Une entité moteur à courant continu peut être caractérisée par une force électromagnétique, une résistance interne et une impédance parasite. Comme ce dernier paramètre n'a aucune influence sur l'étude de l'asservissement, il sera négligé. La résistance interne (Rint) est aussi un facteur parasite. Cependant, elle caractérise la qualité du moteur et son rendement. Plus elle est faible, meilleur est le moteur.

Cette décomposition en éléments simples permet d'exprimer les relations électromécaniques du moteur. La vitesse de rotation est strictement proportionnelle à la force électromagnétique (Fem) de l'élément tournant. D'autre part, le courant traversant le moteur (i) varie linéairement en fonction du couple de sortie.

Schéma équivalent d'un moteur à C.C.:

d'où Vmoteur = Rint x i + Fem.

Si on intègre les relations de base du moteur à courant continu dans le modèle électrique, on obtient l'équation suivante : Vmoteur = (Rint x A x Cmoteur) + (B x n) avec Cm le couple et n la vitesse de rotation. Les coefficients A et B permettent de respecter la cohérence des unités de mesures liées aux calculs mathématiques.

Comme les seules grandeurs accessibles du moteur sont la tension d'alimentation Vmoteur et le couple de sortie, il est possible de déduire la vitesse de rotation comme le montre le tableau suivant.

 

Tension Vmoteur

Couple de sortie

augmente

stable

diminue

augmente

 

 

INDETERMINE

La vitesse de rotation diminue, la locomotive ralentit.

(ex. rampe)

La vitesse de rotation diminue sensiblement, la locomotive ralentit franchement.

(ex. arrêt en rampe)

 

stable

La vitesse de rotation augmente, la locomotive accélère.

La vitesse de rotation est stable, la locomotive avance en palier.

 

 

La vitesse de rotation diminue, la locomotive ralentit.

diminue

La vitesse de rotation augmente sensiblement, la locomotive accélère franchement.

(ex. Démarrage dans une descente)

La vitesse de rotation augmente, la locomotive accélère.

(ex. déclivité)

 

 

INDETERMINE

Il existe deux cases indéterminées car on ne sait quelle est l'action prépondérante. La locomotive peut soit accélérer, soit se maintenir à son allure, soit ralentir.

Le principe de l'asservissement de vitesse consiste donc à compenser l'action de la résistance interne du moteur pour obtenir une relation du type Vmoteur = (B x n)n représente la vitesse de rotation du moteur. La vitesse varie alors proportionnellement à la tension. Le terme "asservissement " est cependant un peu usurpé car la régulation ne s'opère pas sur une mesure de vitesse mais sur la compensation d'une grandeur parasite : la résistance interne.

 

LE SCHEMA ELECTRONIQUE

De nombreux fabricants de composants électroniques présentent dans leurs catalogues des circuits permettant de réguler la vitesse d'un moteur par compensation de sa résistance interne.

Le module d'asservissement reprend (à plus de 90 %) la documentation d'application du composant L272 de SGS-THOMSON MICROELECTRONICS. Ce circuit électronique se compose de deux amplificateurs opérationnels de puissance dont le domaine principal d'application est la commande de moteurs à courant continu de faible puissance (courant < 1A).

Schéma d'application du régulateur de vitesse :

avec Vcc = 12V et R5=R6=R7=R8.

Ce schéma d'application permet un interfaçage très simple avec la carte de sortie digitale analogique de l'ordinateur. Il a, en outre, l'avantage d'utiliser une technologie de type "bridge". Le moteur de la locomotive peut être piloté dans les deux sens (AV et AR), à partir d'une seule source d'alimentation 12V à courant continu. Une analyse rapide du circuit montre qu'il se compose de trois parties distinctes. Le bloc d'asservissement est délimité par la frontière verte. Il prend en compte une tension d'entrée, proportionnelle à la vitesse désirée, et la mesure du courant traversant le moteur. Le module délimité par le trait bleu est tout simplement un inverseur de tension. La zone rouge contient un fusible et une LED de visualisation de la tension d'alimentation. La présence d'un fusible est indispensable car le moteur n'est pas relié directement au montage. Il y a la voie ferrée. Si les rails ne posent pas de problèmes particuliers, les aiguillages peuvent s'avérer redoutables pour l'électronique car générateurs de courts-circuits plus ou moins persistants.

Pour achever l'étude de ce montage, il est bon de rappeler les équations électriques fournies par THOMSON-MICROELECTRONICS. La tension aux bornes du moteur est égale à : Vmoteur = 2 x (Ve - Vcc/2) + (2 x R3 x R1 x i) / Rx. La tension du moteur augmente donc proportionnellement au courant qui le traverse. Ce mécanisme permet de compenser la chute de tension liée à la résistance interne. Il faudra régler la résistance ajustable Rx pour que Rx > (2 x R3 x R1) / Rint. Cette dernière formule sera appelée par la suite équation de stabilité. Si elle n'est pas respectée, le module risque de surcompenser l'effet de la résistance interne et de rendre le montage instable.

Ces équations peuvent être facilement démontrées si on décompose le schéma en bloc : on calcule la tension de sortie du bloc d'asservissement, en vert. On l'inverse avec l'amplificateur opérationnel, en bleu. La différence de ces deux potentiels est égale à la tension Vmoteur. Mais attention, il y a un petit piège. Le montage est réalisé en "bridge", ce qui signifie que les amplificateurs opérationnels ne sont pas alimentés avec des tensions symétriques. Il faut donc effectuer une "translation de potentiels" et considérer que le circuit n'est plus alimenté en 0..+12V mais en -6V.. +6V. A vos crayons...

 

LA COMMANDE MANUELLE

Le module d'asservissement utilise une tension d'entrée pour contrôler la vitesse de la locomotive. Le moyen le plus simple, et le plus économique, est de relier un potentiomètre rotatif à l'entrée de la carte électronique. Comme le montage peut piloter indifféremment le moteur en marches avant ou arrière sans dispositif de commutation mécanique, le point mort est atteint lorsque le potentiomètre est réglé en position médiane. Tourné au minimum, le train roule en marche "arrière toute". Positionné à son maximum, il impose la vitesse "avant toute". Il est donc possible de passer immédiatement de la marche avant à la marche arrière puisque l'asservissement veille à ce que les consignes soient respectées instantanément. Cette manuvre, quoiqu'inutile, risque d'user prématurément le bandage des essieux moteurs tant le changement de sens est rapide.

Que ce module d'asservissement soit utilisé seul ou dans le cadre du simulateur T.A.O., il est néanmoins indispensable de le tester avec un potentiomètre de réglage. Imaginez la moindre erreur de câblage du circuit. S'il est relié directement à l'ordinateur, une ou plusieurs cartes informatiques peuvent être endommagées. Par contre, s'il est d'abord testé et validé avec une commande manuelle, il n'y a aucun risque pour que le module altère par la suite le fonctionnement de l'ordinateur.

Schéma de câblage :

La valeur de ce potentiomètre rotatif n'a que peu d'importance (» 1kW ). Vous en trouverez sûrement un qui conviendra au fond de votre boîte d'électronique.

 

LA LIAISON AVEC T.A.O.

L'objectif du projet T.A.O. est désormais pratiquement atteint. La carte d'asservissement utilise une tension d'entrée pour contrôler la vitesse de la locomotive et lui fournir suffisamment de puissance pour qu'elle tracte un convoi. Le programme T.A.O. calcule de son coté les évolutions du train. Le lien final est réalisé par une carte digitale/Analogique insérée dans le PC. Elle réalise la conversion de la vitesse calculée en temps-réel en une tension d'entrée. Le train suit alors les consignes de l'ordinateur. Cette carte spécifique doit être montée dans le PC. Le modèle utilisé par l'auteur, une INDUSTRIAL I/O CARD SERIES, 12 BIT AD/DA, exploite une technologie, certes ancienne, mais simple et fiable. Les ordinateurs actuels, Pentium, utilisent des dispositifs sophistiqués de reconnaissance des cartes informatiques. La détection de cette carte vous posera peut-être quelques menus soucis si elle entre en conflit avec un autre équipement de la machine. Il faut alors étudier soigneusement les notices d'utilisation des différents matériels pour résoudre ce cas délicat. A titre d'exemple, l'auteur a dû modifier la configuration de sa carte son pour pouvoir exploiter correctement le logiciel T.A.O. Or, ce programme ne génère aucun bruit d'aucune sorte ! Si l'informatique est une science exacte, la configuration de ces PC peut s'avérer relativement empirique.

Schéma du câble de liaison :

 

LE CIRCUIT IMPRIME

L'étude du circuit étant achevée, la réalisation peut débuter.

Le circuit imprimé ci-dessous est à peu près à l'échelle 1:1 car les fichiers image véhiculés par Internet ne respectent pas strictement léchelle du circuit original. Veuillez contacter lauteur si vous désirez obtenir une copie exacte du " cuivre ".

 

LA NOMENCLATURE

Référence

Valeur

IC1

L272

R1

39kW , 5%, 1/4 W

Rx

10kW , 25 tours, vertical

R3

1W , 5%, 1W

R4

1kW , 5%, 1/4 W

R2, R5, R6, R7, R8

10kW , 5%, 1/4W

C1

1nF plastique, 5%

C2

0,1F tantale, 20%

L1

LED jaune Ø 5 mm

F1

fusible 1A (5x20)

S1

strap en fil de cuivre monobrin isolé

SPIC1

support tulipe 16 pattes (facultatif)

SPF1

support fusible 5x20

B1, B2, B3

Borniers à vis 3, 2, 2 au pas de 5 mm

CN1

Connecteur SUB-D 25 points mâle + capot

Pr

Potentiomètre rotatif 1kW

Vcc

Alim. 220V -> 12Vcc,1A monobloc

 

LE COUT DU MONTAGE

Le coût du montage est évalué à une soixantaine de francs sans l'alimentation. Le bloc 220V/12V coûte environ 150 francs.

 

LE MATERIEL NECESSAIRE

Le petit matériel courant d'électronique sera nécessaire soient des pinces, un tournevis, un fer à souder, une mini-perceuse, des forets et un contrôleur universel.

Trois types de forets seront utilisés :

- Ø 1 mm : perçage standard (résistances, circuits intégrés, LED ...)

- Ø 1,2 mm : résistance de puissance et borniers à vis

- Ø 1,5 mm : support de fusible 5x20

 

LE MONTAGE

Le perçage et le montage de ce petit circuit peuvent être réalisés en moins d'une heure.

L'auteur conseille de commencer par souder les composants les plus petits, les résistances de 1/4W et d'achever la réalisation par le support porte fusible et les borniers à vis. Cette méthode vous permettra d'obtenir un travail soigné.

Le support du circuit intégré L272 est facultatif. Il nuit à une parfaite dissipation thermique de ce composant. Les tests effectués jusqu'à présent montrent que le circuit atteint une température de 35C en régime nominal et 60C dans des conditions extrêmes : locomotive gravissant une forte rampe ou en Unités Multiples. Les deux premières cartes d'asservissement de l'auteur, le prototype et le circuit de cet article, sont équipées de supports car soumis à des tests pouvant révéler un caractère destructif. Le choix d'utiliser ou non ce support est donc laissé à votre libre arbitre.

D'autre part, le circuit intégré L272 n'est pas disponible dans tous les magasins d'électroniques. Si vous éprouvez des difficultés à le trouver, commandez le à TOTEM POLE, 64 rue d'Anjou, 44600 SAINT-NAZAIRE.

 

REGLAGES DE L'ASSERVISSEMENT

La carte est enfin câblée. Elle va pouvoir être reliée à la voie ferrée.

Branchez d'abord l'alimentation 12V sur le bornier B2 selon les indications figurant sur le circuit imprimé. Reliez le potentiomètre de réglage manuel au bornier B1. Connectez les fils d'alimentation des rails sur le bornier B3.

Réglez la résistance variable Rx à sa valeur maximale soit 10kW . Cette valeur sera vérifiée avec le contrôleur universel. Il est très important d'effectuer ce premier réglage. La résistance variable conditionne la "raideur" de l'asservissement. Par sécurité, il doit être d'abord "lâche" pour convenir à n'importe quelle machine.

Mettez le montage sous tension puis faites tourner le potentiomètre de réglage dans un sens ou dans l'autre. La locomotive doit suivre les consignes envoyées. Votre circuit comporte des rampes, tant mieux. Elles permettront de régler finement la qualité de l'asservissement de vitesse. Votre réseau est aussi plat que les plaines des Flandres. Il faudra alors jouer d'imagination pour créer des rampes et des descentes. Quelques livres calés ici ou là sous les pieds du circuit auront raison de cette horizontalité gênante. Cette méthode peu orthodoxe a été utilisée par l'auteur pour créer une rampe de 10 % (100 !) très efficace pour tester le matériel.

Actionnez le potentiomètre pour que la locomotive atteigne une vitesse d'environ 80 km/h à l'échelle (0,25 m/s en HO). La locomotive doit franchement ralentir en rampe et s'emballer dans la descente. Le module d'asservissement n'est alors guère plus efficace qu'une alimentation traditionnelle. Vous allez pouvoir maintenant régler finement les performances de l'asservissement . Pour cela, munissez vous d'un voltmètre que vous connecterez aux rails.

Tournez progressivement la vis de la résistance variable (diminution de Rx). Vous allez vous apercevoir que votre engin peine moins à la montée et gère mieux la descente. Vous constaterez aussi que la tension d'alimentation croît en rampe et diminue dans les descentes. L'effet de l'asservissement de vitesse commence à être perceptible. Fiez vous aussi à votre oreille pour noter les changements de régime moteur. Parti d'un réglage très lâche, vous allez progressivement le raidir jusqu'à l'obtention d'une vitesse constante en rampe et en descente. Mais attention de ne pas dépasser un certain point, sans quoi, le module devient instable. Les tableaux suivant récapitulent toutes les phases de réglage et ce que vous devez constater sur votre réseau :

1) Asservissement très lâche :

Résistance Rx = 10 kW

profil de la voie

rampe

descente

Tension aux bornes des rails

constante

constante

vitesse

franc ralentissement

emballement

bruit

plus sourd

plus aiguë

 

2) Asservissement moyen :

profil de la voie

rampe

descente

Tension aux bornes des rails

augmente légèrement

diminue un peu

vitesse

ralentit un peu

augmente très légèrement

bruit

plus mat, sensation de prise de puissance

aiguë, sensation de retenue

 

3) Asservissement pointu :

profil de la voie

rampe

descente

Tension aux bornes des rails

augmente

diminue

vitesse

constante

constante

bruit

constant, "une véritable horloge"

constant, "une véritable horloge"

 

4) Limite de stabilité :

Si la résistance Rx est diminuée alors que votre asservissement est déjà "pointu", le montage va devenir instable. Ce phénomène est très nettement perceptible et ne prête à aucune équivoque. La locomotive commence alors à vibrer, grogner, tressauter et faire du surplace. Cela peut-être assez impressionnant. Il n'existe qu'une solution : couper l'alimentation du transformateur puis augmenter la valeur de la résistance variable Rx pour revenir à un asservissement "pointu".

Le réglage de votre module ne s'arrête cependant pas à ce point. La réalité est un peu plus complexe. Le module d'asservissement est conçu pour contrebalancer l'effet parasite de la résistance interne. Lorsque le réglage est "pointu", il est quasiment annihilé. Or la valeur de la résistance interne varie légèrement en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Elle est plus faible à basse vitesse. Cela signifie que l'asservissement risque de surcompenser l'effet de la résistance interne à très faible allure. Cette limite théorique n'est absolument pas liée à la réalisation qui est présentée dans ces colonnes. La seule solution consiste à réaliser un compromis entre performance et stabilité. L'auteur conseille de régler très finement le circuit électronique pour une vitesse de 40 km/h (0,12 m/s en HO). La régulation sera un peu plus lâche à 120 km/h ou 150 km/h. A des vitesses inférieures à 20 km/h, le ronronnement du moteur sera légèrement accentué. En dessous de 10 km/h, la machine vibrera un peu. Le montage entre alors dans un régime très légèrement instable mais sans aucun danger pour le matériel roulant.

Le réglage de vitesse avec la commande manuelle suit, lui aussi, la sensibilité de l'asservissement. S'il faut trois-quarts de tour pour passer de la marche AR à AV lorsque le circuit n'est pas réglé, un demi tour est suffisant lorsque le réglage est optimum.

 

REGLAGES PARTICULIERS

Le circuit enfin réglé, vous pouvez avoir la satisfaction de contrôler la vitesse d'une locomotive. Or le travail de mise au point n'est pas encore tout à fait achevé. Deux engins moteurs de marques différentes n'ont pas les mêmes caractéristiques. Il vous faudra donc essayer ce module électronique avec toutes les locomotives dont vous disposez et déterminer un point de fonctionnement commun. L'utilisation d'Unités Multiples et les locomotives à Rotor Sans Ferrite peuvent poser problème. Dans le premier cas, une UM est équivalente à deux moteurs à C.C. mis en parallèle. Vu de l'asservissement, la résistance interne de cette UM est divisée par deux. Il faudra alors augmenter la valeur de la résistance variable Rx pour diminuer les performances de l'asservissement et éviter toute instabilité. Le moteur RSF est une approche technologique visant à réduire la résistance interne de manière très importante. Sa valeur peut être divisée par dix par rapport aux valeurs généralement mesurées sur les moteurs classiques ( <1W au lieu de 5W à 15W ). Les calculs des résistances du montage sont alors inadéquats. Il faut alors retirer le strap S1 et câbler une résistance variable beaucoup plus importante. Cette valeur sera calculée selon la formule de stabilité présentée dans le paragraphe :"LE SCHEMA ELECTRONIQUE". Comme l'auteur ne dispose d'aucune machine de ce type, il ne peut s'engager sur la valeur de la nouvelle résistance variable à utiliser.

D'autre part, l'alimentation 12V fournit une tension maximale, aux bornes des rails, de 10V. Cette tension est suffisante pour atteindre 120 ou 140 km/h. Si des vitesses plus élevées sont envisagées, il sera nécessaire d'alimenter le module non plus en 12V mais en 15V.

 

UTILISATION AVEC LE PROGRAMME T.A.O.

Le logiciel T.A.O. permet de simuler les évolutions d'un train réel. Encore faut-il que le modèle réduit respecte parfaitement les consignes de l'ordinateur. Or chaque locomotive possède des caractéristiques qui lui sont propres notamment la vitesse de rotation maximale et le rapport d'engrenage. Pour reprendre un exemple traité dans le premier article, il est inconcevable de simuler fidèlement une vénérable 030TB roulant à 40 km/h et de voir le modèle réduit filant à près de 150 km/h (0,48 m/s en HO). Une phase de calibration s'impose. L'écran de paramétrage de T.A.O. fournit les éléments nécessaires. Un petit travail préparatoire est néanmoins nécessaire. Il faut dans un premier temps mesurer une portion de votre circuit et en déduire la longueur à l'échelle 1:1.

Fixez ensuite une tension d'alimentation à partir des boîtes de dialogue de l'écran et chronométrez le train. Entrez les valeurs mesurées dans le logiciel qui s'occupera automatiquement des mises à l'échelle. Votre convoi miniature respectera fidèlement les évolutions du train réel à une petite marge d'erreur près (<5%).

 

Extrait de l'écran de paramétrage :

 

MESURES DE PERFORMANCES

Avez-vous déjà mesuré les performances de l'alimentation de votre train électrique ?

Pourtant, il est force de reconnaître que de tels tests sont instructifs. Il existe à l'heure actuelle deux catégories de sources d'alimentation. La première, qualifiée de traditionnelle utilise des technologies à base de transformateurs ou d'alimentations à découpage. Leur principale caractéristique est de fournir une tension de sortie stable en fonction du réglage réalisé par l'opérateur. La deuxième catégorie regroupe les régulateurs, ou asservissements, de vitesse. Ce montage en fait partie, tout comme certains boîtiers disponibles dans le commerce. Leur caractéristique est de maintenir la vitesse d'un train quel que soit le tracé. A technologies différentes, objectifs différents. Mais comment les comparer de manière impartiale ? Dans les deux cas, des trains miniatures sont pilotés. Qui dit locomotive électrique, dit moteur à courant continu. L'étude théorique a montré que seuls deux paramètres de réglages sont accessibles : la tension aux bornes de la locomotive et la charge mécanique. En les faisant varier de manière séquentielle, il est possible d'étudier la variation de vitesse du train. La méthode de test proposée dans ce document consiste à augmenter progressivement la charge pour un réglage donné du boîtier d'alimentation.

La séquence de test s'organise comme suit :

1) Préparation :

1-1 - Utilisez un réseau plat, évitez toute rampe qui pourrait nuire à la possibilité de répéter

fidèlement les tests.

1-2 - Mesurez une section de voie dont vous déduirez la longueur à l'échelle réelle.

1-3 - Munissez-vous d'un chronomètre.

1-4 - Nettoyez les rails et les roues de la locomotive avant la séquence de tests.

1-5 - Sélectionnez des wagons de type identique ou très similaires (une douzaine).

Ils feront office de charge mécanique.

1-6 - Posez la locomotive sur la voie de test.

 

2) Protocole de mesures :

Pour obtenir une table de mesures, procédez comme suit :

2-1 - Réglez le potentiomètre de l'alimentation à la valeur que vous voulez tester.

2-2 - Mettez sous tension l'alimentation, la locomotive démarre brusquement.

2-3 - Attendez deux tours de circuit avant de procéder au chronométrage.

2-4 - Chronométrez le parcours du train sur la section de test.

2-5 - Déduisez la vitesse du train en divisant la distance par le temps obtenu puis,

convertissez le résultat en km/h.

2-6 - Mettez hors tension l'alimentation, le train s'arrête tout aussi brusquement.

2-7 - Ajoutez un wagon.

2-8 - Répétez le test à partir du point 2-2 jusqu'à ce qu'il n'y aie plus de wagons.

Il est extrêmement important de ne pas modifier le réglage du potentiomètre durant une séquence de test sans quoi la possibilité de répéter les essais n'est plus assurée. Les résultats peuvent alors devenir incohérents. Même si le fait de faire démarrer et arrêter un train très brutalement peut sembler inconcevable, c'est le prix à payer pour obtenir des mesures fiables et objectives. Comme le temps de parcours du premier tour de circuit n'est pas viable, attendez que la vitesse soit stabilisée. Deux tours sont généralement suffisants.

 

3) Exploitation des résultats :

Reportez sur un graphique les résulats de mesure. Les abscisses représentent la charge soit le nombre de wagons attelés à la locomotive. Les vitesses sont inscrites en ordonnée. Le graphique montrera l'évolution de la vitesse d'une locomotive en fonction de la charge.

Exemple de mesures réalisées avec module d'asservissement en cours de réglage :

Les points de mesure sont alignés et marquent une légère pente descendante. Cette expérience pratique confirme la théorie : pour être stable, un asservissement de vitesse ne peut corriger la totalité des effets parasites de la résistance interne du moteur. La vitesse décroît alors légèrement avec la charge. Par contre, si l'alimentation est du type traditionnelle, l'effet parasite de la résistance interne des moteurs n'est pas du tout corrigé et la pente est accentuée. A contrario, un asservissement très "pointu" dessine une courbe quasiment horizontale, si bien que la moindre perturbation peut rendre le système instable. Mais, la pente de cette courbe ne pourra jamais être croissante car les modélistes n'ont ni inventé le mouvement perpétuel ni créé un moyen de produire de l'énergie en augmentant une charge mécanique !

 

4) Interprétations :

Si cette méthode a été mise au point pour tester le bon fonctionnement du circuit décrit dans ces colonnes, elle est applicable à tous les boîtiers d'alimentation vendus dans le commerce. Les résultats de mesure peuvent être interprétés selon deux axes principaux. Le premier consiste à comparer des machines entre elles. Le deuxième permet de comparer l'effet de différentes sources d'alimentation par rapport à une locomotive. Mais quelle que soit la méthode d'analyse, il est désormais impossible de dissocier les performances d'un engin moteur du type d'alimentation utilisé pour les tests. Sans chiffres précis, les analyses de performance d'un modèle peuvent être subjectives. On pourra néanmoins traiter des limites effectives d'un modèle lorsqu'on atteint les limites de puissance électrique du moteur et d'adhérence (patinage). En dehors de ces phénomènes quantifiables, les variations de vitesse d'un modèle en fonction d'un profil doivent être considérées avec précaution. Un modèle peut s'avérer poussif avec un transformateur traditionnel et épatant avec un asservissement de vitesse. Le protocole de test exposé dans ce paragraphe permet de dissocier nettement les données du problème et fournit des résultats simples.

La comparaison des performances des locomotives peut se représenter par deux graphiques, l'un avec une alimentation traditionnelle, l'autre avec un régulateur de vitesse.

Soient quatre locomotives à tester. Les tests sont réalisés dans des conditions identiques, sans que la puissance maximale et la limite d'adhérence ne soient atteintes. La locomotive rouge est dans tous les cas de figure la moins performante. Celle équipée d'un moteur RSF, en violet, a un excellent rendement mais ne peut être pilotée par le régulateur de vitesse. Un module d'asservissement permet de se rapprocher au mieux des limites mécaniques d'un modèle. Or, les courbes de test de ce circuit montrent toutes une cassure liée à la saturation des composants électroniques. Cependant, cette discontinuité n'est pas gênante car elle n'intervient que peu de temps avant le décrochage du moteur : limite de puissance ou patinage. Le choix d'un type d'alimentation sera d'ailleurs conditionné par les performances attendues.

Si vous passez ce test sur l'ensemble de votre parc machines, vous aurez peut-être quelques surprises. Les plus performantes ne sont pas obligatoirement celles que l'on croit !

 

CONCLUSION

Ici s'achève un projet né d'un rêve un peu utopique. Il concrétise l'aboutissement d'un travail minutieux et passionnant mêlant des technologies informatiques actuelles à des connaissances électroniques traditionnelles. Le résultat de cette entreprise est désormais entre vos mains. Le projet étant intégralement versé dans le domaine public, vous pourrez le modifier et le faire vivre. Quels en seront les développements dans un an ou deux ? Nul ne le sait.

L'auteur vous dira simplement que lors d'un test de validation du projet T.A.O., il utilisait une rame composée d'une 141R et de wagons trémies à ballast. Une fois les paramètres saisis dans l'ordinateur, le train put démarrer. Et là, quelque chose se passa : le train miniature était devenu réel.

Cette vision toute subjective tranche certes avec le cartésianisme de cette étude. Mais les trains électriques représentent peut-être un lien avec notre imaginaire.

 

BIBLIOGRAPHIE

La littérature de référence est en langue anglaise. Elle constitue un atout indispensable pour tous les électroniciens voulant aller plus loin. Les ouvrages mentionnés ci-dessous peuvent être consultés dans tous les bons magasins d'électronique.


Documentation au format Acrobat Reader (.PDF) :
[1] SGS-THOMSON MICROELECTRONICS : L272, L272M Dual power operational amplifiers
[2] SGS-THOMSON MICROELECTRONICS : Designer's guide to power products, Application manual, 2nd edition, Application note "How to drive DC motors with smart power ICs" by Herbert Sax
Documentation en ligne :
[2] SGS-THOMSON MICROELECTRONICS : site WEB

Train miniature Asservi par Ordinateur (T.A.O.)

Ó Laurent MARIE 1997-1998 en association avec LOCO-REVUE

Reproduction et traduction interdites

 



Trains
Retourner à la page T.A.O ?

© Laurent MARIE 1998 - Tous droits résérvés