DE10104148B4 - Verfahren zum Schalten von Zusatzinformationen bei konventioneller Steuerung von Gleichstrommodelleisenbahnen und Gleichstromlokomotive zur Verwendung in dem Verfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Schalten von Zusatzfunktionen bei konventioneller Steuerung von Gleichstrommodelleisenbahnen mit einem Gleichstromfahrpult, wobei zur Auslösung einer Zusatzfunktion anstelle der als Fahrspannung dienenden Gleichspannung eine Wechselspannung an ein Gleis gelegt wird und bei am Gleis anliegender Wechselspannung zur Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs einer auf dem Gleis befindlichen Gleichstromlokomotive die Wechselspannung in der Lokomotive gleichgerichtet wird und mit der gleichgerichteten Wechselspannung über einen nachgeschalteten Polwender der Gleichstrommotor der Lokomotive versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
– bei am Gleis anliegender Gleichspannung in der Lok Information erfasst wird, die die augenblickliche Fahrgeschwindigkeit und die durch die Polarität des Gleises bestimmte Fahrtrichtung betrifft, diese Information zur Steuerung des Motors verwendet wird und der erfassten Information entsprechende Daten unter ständiger Aktualisierung gespeichert werden,
– bei am Gleis anliegender Wechselspannung der Motor entsprechend der zuletzt gespeicherten Information angesteuert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten von Zusatzfunktionen bei konventioneller Steuerung von Gleichstrommodelleisenbahnen mit einem Gleichstromfahrpult nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Gleichstrom-Modelleisenbahnlokomotive zur Verwendung in dem Verfahren (Anspruch 4). Unter Gleichstromlokomotive ist hier. allgemein ein mit einem Gleichstrommotor ausgerüstetes Triebfahrzeug zu verstehen.
• Es ist bekannt, bei Modelleisenbahnlokomotiven ferngesteuert Zusatzfunktionen ein- und auszuschalten. Solche Zusatzfunktionen können beispielsweise eine fernsteuerbare Lokpfeife, ein Rauchgenerator bei einer Dampflok, eine Kupplung und dergleichen sein. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Zusatzinformationen über eine Leitung mit Gleichspannung zu senden. Alle diese Möglichkeiten haben jedoch den Nachteil, daß entweder der Aufwand auf der Steuerseite recht erheblich ist oder bei Überlagerung durch Spannungsaddition z. B. Lämpchen zerstört werden können. Nutzt man dagegen eine Wechselspannung alternativ zur Fahrgleichspannung, so steht während dieser Zeit keine Fahrspannung mehr zur Verfügung. Bei sehr niedrigen Wechselspannungsfrequenzen wird außerdem der Kondensator zur Trennung der beiden Spannungsarten unverhältnismäßig groß, wenn auch nennenswerte Ströme fließen sollen.
• Aus der US 54 48 142 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Schalten von Zusatzfunktionen bei konventioneller Steuerung von Gleichstrommodelleisenbahnen bekannt, bei dem zur Auslösung einer Zusatzfunktion ein oder mehrere aufeinander folgende Polaritätswechsel der als Fahrspannung am Gleis anliegenden Gleichspannung vorgenommen werden. Die Polaritätswechsel werden im Fahrzeug detektiert, woraufhin dann eine entsprechende Zusatzfunktion geschaltet wird. Zur Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs während der Polaritätswechsel wird die den Polaritätswechseln unterzogene Gleichspannung im Fahrzeug gleichgerichtet und entsprechend der eingestellten Fahrtrichtung über eine H-Brücke bzw. einen Polwender dem Motor zugeführt. Eine Umschaltung der Fahrtrichtung erfolgt nur dann, wenn nach einer Abschaltung der Gleichspannung (Fahrstufe 0) das Wiedereinschalten mit einem Polaritätswechsel verbunden ist. Andernfalls, wird ein Polaritätswechsel als Auslöser zum Schalten einer Zusatzfunktion gewertet.
• Das oben beschriebene bekannte Verfahren ist empfindlich gegen ungewollte Unterbrechungen der Stromzufuhr. Eine im Fahrzeug eingebaute Elektronik kann nämlich auf Reset gehen und sich danach für die falsche Fahrtrichtung entscheiden. Nachteilig ist auch, dass die zur Ausführung der Zusatzfunktion zur Verfügung stehende Spannung nur so hoch wie die gerade anliegende Gleichspannung ist, was für manche Aufgaben zu niedrig sein kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, bei konventionell gesteuerten Gleichstrommodelleisenbahnen Zusatzfunktionen ohne die oben genannten Nachteile unabhängig von der Polarität und Amplitude der gerade am Gleis anliegenden Gleichspannung auszulösen.
• Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
• Eine Gleichstromlokomotive zur Verwendung in dem Verfahren ist im Patentanspruch 4 angegeben.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, auf der Steuerseite nur mit einem ohnehin vorhandenen Gleichstromfahrpult und einem Taster zur Auslösung der Zusatzfunktion auszukommen. Hierbei wird davon ausgegangen, daß existierende Gleichstromfahrpulte neben dem Gleichspannungsausgang für die Fahrspannung auch fast immer einen Wechselspannungsausgang besitzen, an dem eine Spannung zwischen 14 und 16 Volt effektiv zur Verfügung steht. Auf der Steuerseite ist somit kein Aufwand erforderlich.
• Die mit Hilfe des Tasters bzw. Umschalters anstelle der Gleichspannung an das Gleis gelegte Wechselspannung ist ein zum Auslösen der Zusatzfunktion leicht unterscheidbares Signal und reicht in Höhe von 14 bis 16 Volt effektiv auch aus, um eine Zusatzfunktion ein- und auszuschalten, für die eine relativ hohe Energie erforderlich ist, beispielsweise eine ferngesteuerte Kupplung. Mit der Wechselspannung kann man aber keinen Gleichstrommotor betreiben, sondern eher zerstören.
• Deshalb befindet sich in der Lokomotive nach der Erfindung vorzugsweise ein Brückengleichrichter und dahinter in einer sogenannten H-Brücke vier Schalter, mit denen der Motor in der Richtung und Geschwindigkeit kontrolliert werden kann. Dadurch wird die Motoransteuerung unabhängig von der Spannungsform am Gleis.
• Damit der Fahrbetrieb mit der gleichgerichteten Wechselspannung weitergeführt werden kann, werden bei anliegender Fahrgleichspannung vorzugsweise mit Hilfe von A/D-Wandlern Daten erfaßt und gespeichert, die die augenblickliche Fahrgeschwindigkeit und Fahrtrichtung der Lokomotive darstellen. Die gespeicherten Daten werden solange die Gleichspannung anliegt, ständig auf dem neuesten Stand gehalten. Die Ermittlung der Geschwindigkeit und Richtung geschieht beispielsweise durch Erfassen der Höhe und Polarität der anliegenden Gleichspannung, Erfassen der tatsächlichen Drehzahl und Drehrichtung des Motors mit Sensoren, Erfassen des Ankerstroms oder dergleichen. Vorzugsweise wird aber die der Geschwindigkeit der Lokomotive entsprechende Motordrehzahl durch Messen der Höhe der EMK bestimmt.
• Erkennt die Lokomotive, daß eine Wechselspannung anliegt, schaltet die Motorsteuerung auf die gespeicherten Fahrdaten um und hält die Geschwindigkeit vorzugsweise mit Hilfe einer Regelschaltung auf dem vor der Umschaltung zuletzt erfaßten Wert. Die meistens wesentlich höhere Wechselspannung von 14 bis 16 Volt effektiv ist damit praktisch ohne Einfluß auf die Fahrgeschwindigkeit.
• In der Regel genügt eine sehr kurze Einschaltzeit für die Wechselspannung, da auch diese Information gespeichert werden kann. Generell reichen zwei Halbwellen mit einem Null-Durchgang aus. Hierzu dient vorzugsweise ein Flip-FLop, das zum Einschalten einer Funktion und bei Wiederholung der Wechselspannungstastung zum Ausschalten benutzt wird. Zwar ist während des Anliegens der Wechselspannung eine Geschwindigkeitsänderung der Lokomotive mit Hilfe des Fahr reglers nicht möglich, aber da diese Zeit so kurz sein kann, ist dies nicht spürbar. Bei zeitlich kurzen Zusatzfunktionen, wie z. B. eine ferngesteuerte Kupplung, bei der aber eine im Vergleich zur Leistungsaufnahme des Motors hohe Leistung benötigt wird, ist das Anlegen einer Wechselspannung mit hoher Amplitude sehr nützlich. Wird dagegen für die Zusatzfunktion ständig, d. h. auch nach dem Abschalten der Wechselspannung, eine hohe Spannung benötigt, so muß gegebenenfalls durch Verwendung von Spannungswandlern diese Spannung aus der normalen Fahrspannung zur Verfügung gestellt werden, die je nach Spurgröße zwischen 1 und 20 Volt liegen kann.
• Die nach der Erfindung in der Lokomotive vorgesehenen Maßnahmen können vorzugsweise von kleinen und preiswerten Microcontrollern übernommen werden. Dies hat den Vorteil, daß Bauelemente oder Baugruppen kleinster Abmessungen für den erfindungsgemäßen Zweck eingesetzt werden können. Die Microcontroller können vorzugsweise zudem auch so ausgelegt werden, daß sie am Gleis anliegende Digitalsignale erkennen und interpretieren. Eine derart ausgestattete Lokomotive ist somit auf Digital- wie Gleichstromanlagen gleichermaßen einsetzbar, ohne daß der Anwender sich darum kümmern muß.
• Da in einer nach der Erfindung ausgebildeten Gleichstromlokomotive alle Baugruppen zum Erfassen der anliegenden Gleisspannung, der Polarität einer anliegenden Gleichspannung und der Drehzahl des Motors vorhanden sind, wird vorzugsweise die Regelschaltung, die die Geschwindigkeit des Motors bei anliegender Wechselspannung kontrolliert, auch für den normalen Fahrbetrieb (digital oder analog/konventionell) benutzt. Dies führt zu exzellenten Fahreigenschaften.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnung erläutert. Es zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild der Baugruppen in einer Gleichstom-Lokomotive und
• 2 das Prinzipschaltbild einer Richtungs- und Wechselspannungserkennung.
• Wie es aus 1 hervorgeht, sind in einer nach der Erfindung ausgebildeten Gleichstrom-Lokomotive ein Brückengleichrichter 10 vorhanden, dem die jeweils am Gleis anliegende Gleisspannung zugeführt wird. Die am Ausgang des Brückengleichrichters 10 auftretende gleichgerichtete Gleisspannung wird einer sogenannten H-Brücke 20 zugeführt, in deren Längszweigen jeweils ein Schalter A, B, C und D liegt und in deren Querzweig der Gleichstrommotor M (Motorankerwicklung) der Lokomotive liegt. Die Schalter A, B, C und D sind vorzugsweise elektronische Schalter, die zur Minderung der Verlustleistung wie ein mechanischer Schalter nur ein- und ausgeschaltet werden. Sind die Schalter A und D eingeschaltet, dreht der Motor in eine Richtung, sind die Schalter C und B eingeschaltet, dreht der Motor in die andere Richtung. Die Höhe der dem Motor zugeführten Spannung erfolgt durch Pulsbreitensteuerung der Ausgangsspannung des Gleichrichters 10 mittels der H-Brücke 20, wobei die Schalter A, B, C und D durch eine Motorsteuerung 60 angesteuert werden.
• Ferner wird die Gleisspannung einer Schaltung 40 zugeführt, die erkennt, ob am Gleis eine Gleich- oder Wechselspannung anliegt und die darüber hinaus bei anliegender Gleichspannung die Polarität der Gleichspannung und damit die gewünschte Fahrtrichtung erkennt. Die von der Erkennungsschaltung 40 jeweils erkannte Fahrtrichtung wird in einem Speicher 50 gespeichert. So lange am Gleis eine Gleichspannung anliegt, wird die im Speicher 50 gespeicherte Fahrtrichtung ständig auf dem neuesten Wert gehalten. Entsprechend der im Speicher 50 gespeicherten Fahrtrichtung steuert die Motorsteuerung 60 die Schalter A, B, C und D der H-Brücke 20 an.
• Zur Bestimmung der der Fahrgeschwindigkeit der Lokomotive entsprechenden Motordrehzahl wird von einer Schaltung 30 die EMK gemessen. Dies geschieht, wenn alle Schalter A, B, C und D geöffnet sind. Vorzugsweise dient hierzu ein in die Schaltung 30 integrierter A/D-Wandler. Die ermittelte Drehzahlinformation wird ständig auf dem neuesten Stand gehalten und laufend im Speicher 50 gespeichert. Zum Zwecke der laufend auf den neuesten Stand gebrachten Speicherwerte enthält der Speicher 50 vorzugsweise einen RAM.
• Sobald die Erkennungsschaltung 40 eine am Gleis anliegende Wechselspannung erkennt, erfolgt im Speicher 50 eine Umschaltung dahingehend, daß der Motorsteuerung 60 die Daten für die zuletzt gespeicherte Drehzahl und die zuletzt gespeicherte Fahrtrichtung zugeführt werden. Die Schalter A, B, C und D der H-Brücke 20 werden dann von der Motorsteuerung 60 entsprechend diesen Daten angesteuert. Diese Ansteuerung des Motors wird fortgeführt, solange die Erkennungsschaltung 40 eine am Gleis anliegende Wechselspannung erkennt.
• Sobald die Erkennungsspannung 40 wieder eine am Gleis anliegende Gleichspannung erkennt, erfolgt im Speicher 50 eine Umschaltung dahingehend, daß der Motor gemäß der aktuellen Höhe und Polarität der Gleichspannung gesteuert wird.
• 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausbildung der Erkennungsschaltung 40 mit Hilfe eines Flipflops. Am Ausgang des Flipflops tritt z. B. eine logische 1 auf, wenn in Fahrtrichtung gesehen das rechte Gleis positiv gegenüber dem linken ist, und eine logische 0 im umgekehrten Fall. Eine anliegende Wechselspannung wird dadurch erkannt, daß z. B. bei Netzfrequenz in einem Zeitraum von 20 Millisekunden mindestens ein Wechsel zwischen den beiden logischen Werten 0 und 1 auftritt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Schalten von Zusatzfunktionen bei konventioneller Steuerung von Gleichstrommodelleisenbahnen mit einem Gleichstromfahrpult, wobei zur Auslösung einer Zusatzfunktion anstelle der als Fahrspannung dienenden Gleichspannung eine Wechselspannung an ein Gleis gelegt wird und bei am Gleis anliegender Wechselspannung zur Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs einer auf dem Gleis befindlichen Gleichstromlokomotive die Wechselspannung in der Lokomotive gleichgerichtet wird und mit der gleichgerichteten Wechselspannung über einen nachgeschalteten Polwender der Gleichstrommotor der Lokomotive versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – bei am Gleis anliegender Gleichspannung in der Lok Information erfasst wird, die die augenblickliche Fahrgeschwindigkeit und die durch die Polarität des Gleises bestimmte Fahrtrichtung betrifft, diese Information zur Steuerung des Motors verwendet wird und der erfassten Information entsprechende Daten unter ständiger Aktualisierung gespeichert werden, – bei am Gleis anliegender Wechselspannung der Motor entsprechend der zuletzt gespeicherten Information angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Information die augenblickliche Höhe der am Gleis anliegenden Gleichspannung umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Information die augenblickliche Drehzahl des Motors der Lokomotive umfasst.
4. Gleichstromlokomotive zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lokomotive vorgesehen sind: a. ein Gleichrichter (10) zum Gleichrichten der am Gleis anliegenden Spannung, b. ein Speicher (50) zum Erfassen und Speichern von Daten, die der Fahrgeschwindigkeit und Fahrtrichtung der Lokomotive entsprechen, c. eine Schaltung (40) zum Erkennen, ob eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung am Gleis anliegt, d. eine Motorsteuerung (60) zur Ansteuerung des Gleichstrommotors (M) der Lokomotive, wobei die Motorsteuerung bei anliegender Wechselspannung den Gleichstrommotor der Lokomotive mit Hilfe der Ausgangsspannung des Gleichrichters entsprechend den bei anliegender Gleichspannung zuletzt erfassten und gespeicherten Fahrgeschwindigkeits- und Fahrtrichtungsdaten steuert.
5. Gleichstromlokomotive nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner enthält: e. eine Einrichtung (30) zur Messung der EMK des Gleichstrommotors (M).
6. Gleichstromlokomotive nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner enthält: f. einen Dekoder zum Dekodieren digitaler Information und g. eine Einrichtung zum Erkennen, ob am Gleis eine digitale Information tragende Spannung anliegt, wobei die Motorsteuerung (60) beim Anliegen einer digitale Information tragenden Spannung den Gleichstrommotor (M) der Lokomotive mit Hilfe der Ausgangsspannung des Gleichrichters entsprechend der vom Dekoder dekodierten Information steuert.