[oli4]

Hallo Leute,

ich bin mir nicht sicher, ob ich hier in der richtigen Rubrik gestrandet bin... aber ich möchte mit diesem Beitrag (wie in Pont de Syam versprochen) meine selbstentwickelte Funk-Digitalsteuerung "zbus" vorstellen.


Einleitung

zbus ist eine auf neuen Technologien basierte (wie man so schön sagt) innovative Modelleisenbahnsteuerung, welche alternative Wege geht, völlig abseits bekannter Pfade: Die klassischen schienengebundenen Digitalsysteme mit Booster, die separaten Steuer- und Rückmeldebussysteme für die fixen Installationen, die Digitalzentralen, und die Programmiergeräte, die werden alle über den Haufen geworfen...! Statt dessen gibt es nur noch ein einziges 2.4GHz Funknetzwerk, ein sogenanntes WPAN (wireless personal area network). Basierend auf dem Standard IEEE 802.15.4 vernetzt dieses alle verteilten kleinen Kontroller, in den Loks, auf der Anlage und am Computer.

Dies vereinfacht die Hardware massiv, da kein Booster, keine Datenbusverkabelung und keine Digitalzentrale mehr notwendig sind. Stattdessen wird ein Gateway z.B. in Form eines USB-Sticks in den Computer gesteckt, und die Gleise werden einfach mit Gleichstrom 16V gespiesen. Und schon können wir mit allen unseren kleinen Kontroller im WPAN kommunizieren. zbus erlaubt speziell mit den Loks ganz neue Möglichkeiten: Während der Fahrt können beliebige Informationen aus der Lok gelesen werden. So kann man reelle Geschwindigkeit, gefahrene Streckendistanz, Motorenleistung, Zugsicherung (Indusi), Speisespannung und und und... erfassen.

Die erste zbus Prototyplok (SBB Bm 4/4) erhielt den Übernamen "Das Ungeheuer"

Damit kann man ganz neue Funktionalität anbieten: präzise Positionierung der Züge, punktförmige Zugbeeinflussung mit Quittierung vom Lokführer (wie beim Vorbild), Zeit-Weg-Sicherheitsfahrschaltung/Totmann, Analyse des elektrischen Kontaktes resp. des Verschmutzungsgrades einer Bahnstrecke, Analyse der Antriebsqualität und Laufruhe der Lok, Analyse der Kommunikation-Empfangsqualität, Kräfteausgleich bei Doppeltraktion, Statistik der gefahrenen Zugkilometer und und und...


Der noch etwas zu grosse Lokkontroller Version 1.0 in einer Re 4/4 II, mit Stützakku

Ok, momentan ist diese noch in Entwicklung. Ich habe mich bis jetzt vorallem mit der wireless Kommunikation, Diagnosemöglichkeiten, Firmware-Update über Funk, und dem Lokkontroller (Lokdecoder) beschäftigt. Also Mehrzugbetrieb, Superlangsamfahreigenschaften und sanfte Doppeltraktion ist bereits vorhanden. Hingegen die Anlagensteuerung, Stellwerk, Weichen- und Signalsteuerung steht noch auf der Warteliste. Aber auch diese werden auf derselben Architektur basieren, also auch mit kleinen wireless Kontrollern. Somit reduziert sich die globale Verkabelung auf die Speisung der Schienen.


Lokkontroller

Die Lokkontroller-Hardware ist bereits so miniaturisiert, dass er auch in die Loks der Spurweite H0 reinpasst. Die Motorsteuerung weist eine Sensor-lose Geschwindigkeitsregelung (Lastregelung) auf. Dies ergibt schon mal gleichmässiges Fahrverhalten und gute Langsamfahreigenschaften. zbus geht mit seiner adaptiven Motorenregelung einen Schritt weiter. Nebst der Geschwindigkeit sind auch PWM-Frequenz, PID Parameter mittels Kurven parametrisierbar. Damit kann man die Motorenregelung für alle Geschwindigkeitsbereiche voll optimieren. Also super-optimiertes Langsamfahrverhalten bei extrem kleinen Geschwindigkeiten unterhalb 1mm/s, und gleichzeitig optimales Fahrverhalten bei mittlerer und hoher Geschwindigkeit, und dies individuell für beide Fahrrichtungen. Die Übergänge von einem Parameterset zum anderen sind sanft und stufenlos. Die Einheit der Geschwindigkeit ist justierbar, und sollte auf 0.1mm/s gesetzt werden. Die Auflösung der Geschwindigkeit der Motorenregelung ist kleiner als ein tausendstel der vollen Motorgeschwindigkeit, somit ist die Anzahl Geschwindigkeitsstufen der Lok kein Thema mehr, es ist quasi stufenlos.


Der aktuelle Lokkontroller Version 1.1 hat bereits konkurrenzfähige Dimensionen.

Die PWM-Frequenz Kurvenanpassung erlaubt ein stufenweises aber sanftes Wechseln der PWM-Frequenz während der Fahrt. Sehr niederfrequentes pulsierendes (für extrem langsames Fahren) wie auch hochfrequentes unhörbares PWM (für mittlere und hohe Geschwindigkeiten) ist damit möglich.

Durch die Möglichkeit, beliebige Motorenmesswerte während der Fahrt zurückzulesen, öffnet sich die Tür für neue Funktionen: Reelle Geschwindigkeit und gefahrene Distanz der Lok können erfasst werden, zum Beispiel als Hilfe für die exakte Positionierung des Zuges. Mit Informationen über Drehmoment und Leistung des Motors kann die Bahnstreckenreibung und -steigung ermittelt werden. Mit Informationen über Geschwindigkeitsvariation kann die PID-Regelung optimiert werden, zum Beispiel per Autotuning. Mit Informationen über Speisespannung und Distanz kann die Qualität des Schienenkontaktes einer Bahnstrecke erfasst werden (Verschmutzungsgrad). Mit Informationen über Drehmoment kann das Gewicht des Zuges erfasst werden. Mit Informationen der Strecke können Zugsicherungsfunktionen wie beim Vorbild in Abhängigkeit der gefahrenen Strecke gemacht werden (zum Beispiel Totmann). Mit Informationen über Drehmoment kann die Kupplungs- und Entkupplungssequenz des Zuges optimiert werden, weil die Lok fühlt, wann sie den Zug stösst.


Erste Tests mit dem SBB Krokodil.

Neben der Geschwindigkeitsregelung ist auch eine Strombegrenzung respektive eine Stromregelung eingebaut, welche kombiniert oder individuell in Aktion treten kann. Damit lassen sich vor allem bei mittleren und höheren Geschwindigkeiten reales Verhalten bezüglich der abgegebenen Leistung simulieren, also bei Bergfahrt langsamer werdend und bei Talfahrt schneller werdend.

Eine ganz interessante (aus der Stromregelung abgeleitete) Betriebsart ist der Reibungskompensationsmodus. Die Lok verhält sich hier wie passiv, dreht die Räder immer so schnell wie sie gestossen oder gezogen wird. Man könnte meinen, sie habe kein selbsthemmendes Getriebe, also wie wenn sie nur Laufachsen aufweisen würde. Das interessante an dieser Betriebsart ist, dass sie das Tor zu Doppeltraktion und Mehrfachtraktion eröffnet. Und zwar in allen bei Modelleisenbahn als für unmöglich gehaltenen Varianten (!), wie eine zusätzliche Lok in Zugmitte, oder eine scheinbar stossende zusätzliche Lok am Zugschluss. Dadurch, dass sie ganz passiv ist und somit keine grossen Kräfte ausübt, besteht auch nicht die Gefahr, dass die dazwischen liegenden Wagen entgleisen. Funktioniert auch hervorragend in engen Kurven und auf steilen Rampen.

Der Lokkontroller verfügt über ein eigenes Powermanagement, welches die Verwendung eines Stütz-Akkus oder -kondensators unterstützt (mit Ladezustandsmessung und Tiefentladungsschutz). Dies macht die Lok extrem robust gegen schlechtem Schienenkontakt, was vor allem bei extremer Langsamfahrt bemerkbar wird. Die Herzpolarisierung aller Weichen kann dadurch theoretisch eingespart werden, die Lok fährt locker über diese kurzen kontaktlosen Streckenabschnitte. Hebt man eine Lok während der Fahrt aus den Schienen, drehen die Räder also noch ein paar Sekunden weiter...

Dank der Funkübertragung bleibt die Kommunikationsverbindung zum Gateway auch dann erhalten, wenn der Schienenkontakt unterbrochen wurde. Das heisst, die Lok ist fähig Schienenkontaktverlust zu melden. Die Lok kann mit Hilfe der Schienenkontakt-Information betriebssicher parkieren, das heisst, falls nötig wenige Millimeter weiter fahren, um nicht zufällig auf einem Kontaktunterbruch zu halten.


Einbau des Lokkontrollers Version 1.1 in das Krokodil Ce 6/8 II.

Natürlich fehlen auch die Funktionausgänge und -eingänge nicht. Es gibt sie für analoge und digitale Werte. Diverse Timings sind steuerbar, Blinklicht, Einzelpuls, Dimmer (optional auch Speisespannungs-kompensiert).

Eine der ganz neuen Möglichkeiten ist die Zugsicherung. Es handelt sich um die klassische Sicherheitsfunktion der punktförmigen Zugbeeinflussung (in der Schweiz Integra/Signum, in Deutschland Indusi). Die Lok empfängt fahrrichtungsabhängig die Informationen der Streckensignale, ok/warnung/halt. Diese kann z.B. eine Führerstandsapplikation aus der Lok lesen. Die Lok erwartet z.B. bei Warnung eine Quittierung des Lokführers. Falls diese nach einer bestimmten Zeit nicht eintritt, löst die Lok selber einen Nothalt aus (wie beim Vorbild). Die Übertragung der Streckensignalinformation (also die Zugsicherungsbalisen) geschieht über Infrarot (Sendediode am Gleis, Empfängertransistor unter der Lok).

Die hier erwähnten neuen Funktionen und Möglichkeiten, sind erst mal nur einen ersten Schritt. Das Potential der Möglichkeiten, welche eine bidirektionale wireless Kommunikation auf einer Lok erlaubt, ist noch lange nicht ausgeschöpft.

Eine schon etwas ältere Präsentation von zbus

Perspektiven

Habe auch hier im Forum über Bemühungen, einen Opensource-Lokdecoder zu kreieren, gelesen. Diese haben aber einen ganz anderen Anspruch als zbus. zbus ist zu keinem bestehenden Digitalsystem kompatibel (noch zum Analogbetrieb). zbus geht andere Wege.

Ich weiss noch nicht, wo dieses Abenteuer hinführen soll. Es fehlen noch wesentliche Teile einer Modelleisenbahnsteuerung:
- Steuerung der Gleisanlagen (Weichen, Belegtmelder, Signale...)
- ansprechende Applikation(en) auf dem PC (momentan sind nur einfache und schlichte Konsolen-basierte Applikationen vorhanden)
- Anbindung an bestehende Systeme (z.B. srcp Gateway)

Bei Interesse "draussen in der Welt" würde ich gerne aus zbus ein Opensource-Projekt machen. Und zwar für alle Komponenten: Hardware, Firmware, PC-Software und jegliche Dokumentation. Momentan läuft zbus einzig auf meiner Anlage "zuhause in der Scheune".

Ich freue mich schon auf Euren Feedback!

Viele Grüsse!
oli4

[histor]

Hört sich auf den ersten Blick an wie ein Befreiungsschlag. Interessantes Projekt.

Wenn ich hier so lese über die Nicklichkeiten des Digital-Alltages bei Modellbahnen, dann frage ich mich in der Tat, ob große Firmen wirklich nicht in der Lage sind, die realen Bedürfnisse der Modellbahnsteuerung zu realisieren.

[Timothy]

Salut Oli,

sehr beachtlich, was Du hier schon auf die Beine gestellt hast. Auch die Miniaturisierung ist bei Dir sehr weit fortgeschritten. Ich finde Deinen Ansatz hochinteressant und werde Deine Fortschritte hier gerne weiter verfolgen.

Gruß

Tim

[schaerra]

Hallo Oli,

zuerst einmal Hut ab vor Deinem Projekt. Vielen Dank das Du Dein Projekt, welches schon sehr weit vorangeschritten ist, hier vorstellst.
Mit großem Interesse verfolge ich auch die bisherigen Projekte, welche in ähnlicher Form mittels Funk die Digitalsignale zur Lok senden. Meines Wissens gibt es derzeit noch die Firma rail4you und die amerikanische Firma Train Engineer welche eine ähnliche Technik verwenden. Train Engineer bietet diese derzeit für Gartenbahnen zum Verkauf an.
Train Engineer geht sogar soweit, dass nur der Bahnhof mit Strom versorgt wird, in welchem sich die Batterien der Loks aufladen. Die Strecke bleibt stromlos und wird mittels Saft aus dem Akku befahren.
Diese Funk- Technik für HO Nutzbar zu machen ist sehr vielversprechend und würde viele Probleme der heutigen Digitaltechnik von vornherein ausschließen. Ich bin der Meinung, dass die Zeit dafür Reif ist. Man darf aber nicht erwarten, dass sich daraus gleich ein Trend ergibt. Viel zu stark ist die konventionelle Digitaltechnik verbreitet. Eine Umrüstung von bestehenden Anlagen würden die Besitzer (wenige) erst dann in Angriff nehmen, wenn die neue Technik eingeführt ist, funktioniert und von einem Markenanbieter (Garantie & Support) vertrieben wird. Dies ist nach meiner Meinung auch der Knackpunkt.
Als opensource Projekt könnte ich mir aber vorstellen, dass sich vorerst eine kleine aber feine Fangemeinde entwickeln könnte.

Eine weitere Perspektive für diese Anwendung ist die Entkopplung von Sound und Lok. Ähnlich wie in Deinem Video könnte, der zur Lok oder zum Zug passende Sound aus an der Strecke verteilten (getarnten)Boxen kommen. Eben genau dort wo sich der Zug gerade befindet. Der Sound aus ordentlichen Lautsprechern wäre tausendmal besser, als der, welcher Heute aus den Mini- Dingern in den Loks kommt.

Ich bin schon gespannt, wie sich die Sache weiterentwickelt.

[fantux]

Hallo Oli,

auch von mir großen Respekt für diese Leistung! Mich würde aus purer Neugier aber noch interessieren, wie dein Reibungskompensationsmodus funktioniert. Wenn ich den folgenden Abschnitt lese...

Zitat von oli4

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Eine ganz interessante (aus der Stromregelung abgeleitete) Betriebsart ist der Reibungskompensationsmodus. Die Lok verhält sich hier wie passiv, dreht die Räder immer so schnell wie sie gestossen oder gezogen wird. Man könnte meinen, sie habe kein selbsthemmendes Getriebe, also wie wenn sie nur Laufachsen aufweisen würde. Das interessante an dieser Betriebsart ist, dass sie das Tor zu Doppeltraktion und Mehrfachtraktion eröffnet. Und zwar in allen bei Modelleisenbahn als für unmöglich gehaltenen Varianten (!), wie eine zusätzliche Lok in Zugmitte, oder eine scheinbar stossende zusätzliche Lok am Zugschluss. Dadurch, dass sie ganz passiv ist und somit keine grossen Kräfte ausübt, besteht auch nicht die Gefahr, dass die dazwischen liegenden Wagen entgleisen. Funktioniert auch hervorragend in engen Kurven und auf steilen Rampen.

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...nehme ich mal an, dass du vom Motor erzeugten Strom misst und dann entsprechend zuschiesst, damit der Motor genau die richtige Kraft aufwendet. Korrekt? Und wie läuft das dann im Detail ab? Weiterhin sind auf deinen Bildern auch Loks mit Schneckengetriebe zu sehen. Da kann ich mir nicht erklären, wie der Motor überhaupt von außen in Bewegung gesetzt wird. Funktioniert dein Reibungskompensationsmodus auch auf diesen Loks, und wenn ja, wie?

Gruß,
fantux

[Maxjonimus]

Zitat von fantux

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Weiterhin sind auf deinen Bildern auch Loks mit Schneckengetriebe zu sehen. Da kann ich mir nicht erklären, wie der Motor überhaupt von außen in Bewegung gesetzt wird. Funktioniert dein Reibungskompensationsmodus auch auf diesen Loks, und wenn ja, wie?

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Nun, das kann schon funktionieren, denn auch bei einem Schneckenantrieb drückt ja das Zahnrad gegen die Schnecke. Nun muss die Elektronik im Grunde immer genau die Drehzahl herausfinden, wo die Stromaufnahme am geringsten ist:
- Dreht der Motor zu langsam, klemmt es zwischen Schnecke und Zahnrad, die Stromaufnahme steigt, die Lok wird gebremst.
- Dreht der Motor zu schnell, treibt er die Lok an, die Stromaufnahme steigt.
- Dreht der Motor genau mit der Geschwindigkeit der geschobenen Lok, so ist die Stromaufnahme minimal = optimum, die Schnecke auf der Motorwelle dreht quasi im Leerlauf!

[Timothy]

Hallo nochmals,

ich sehe den Vorteil Deiner Lösung vor allem darin, dass die Kommunikation zwischen Digitalzentrale (bei Dir dem Computer) und der Lok nicht mehr über das Gleis läuft. Quasi sind Stromversorgung und Kommunikation getrennt und vor allem die Kommunikation smoit weniger fehleranfällig und weniger hardwareintensiv.

Für den Anschluss von Weichen, Signalen und Rückmeldern habe ich einige Fragen. Sollen diesen eine eine Stromversorgung angeschlossen werden und dann ebenfalls per WLan mit der Zentrale kommunizieren? Oder soll hier die Kommunikation weiterhin über eine Kabelverbindung erfolgen? Welches Protokoll wolltest Du hierfür verwenden?

Details zur Programmierung der Lokdecoder würden mich auch interessieren. Deine Lösung für die Fahrt mit Mehrfachtraktionen scheint sehr flexibel zu sein. Könnte man die software auch so anpassen, dass die zweite Lok mit einer bestimmten Kraft nachschiebt (also keine spezielle Geschwindigkeit hält sondern der Masterlok etwas hilft)?

Viele Grüße

Tim

[Zimmerle]

Hallo,

eine sehr beachtliche Leistung, die Du da erbracht hast. Das ist eine toller Ansatz.
Denk darüber nach: Falls Du das doch jemals vermarkten willst, reiche ein Patent
ein! Ohne Patentanwalt ist das noch erschwinglich.

Zimmerle

[Videoman]

Ich habe eine Frage. Wie gut skaliert das System?
Aus meiner Erfahrung gibt es immer einen Zeitpunkt, an dem man ein System nicht grösser machen kann, ohne das es schlechter wird. Wenn z.B 100 Lok an geschlossen sind, und alle wollen kommunizieren, geht das ohne dass sie gegen seitig blockieren?
Was ist max. Anzahl adressen im system?

Ich habe mich selber immer gefragt, wann so ein System kommt.

[Rio]

Hallo Oli,
ich würde sofort umsteigen auf Dein System, wenn es "serienreif" (auch Beta, für 25 Loks und 50 Weichen) und für mich bezahlbar ist.. Toll was Du Dir da so ausgedacht und entwickelt hast.
Nur mal so als fanatischer 3-Leiter-Fahrer: Man könnte doch auch AC einspeisen und dann in der Lok gleichrichten, oder?
Gratuliere und mach weiter. Ich hoffe irgendwann einmal Dein System bei mir einführen zu können.

Grüsse,
Klaus

[oli4]

Sälu zäme,
vielen Dank für Eure Antworten. zbus ist noch ganz eindeutig in der Entwicklungsphase, fern ab von Serie oder Beta-Stadium. Für mich geht es auch hier nach dem Motto "der Weg ist das Ziel".

@Helmut:
Das mit dem HiFi-Sound aus anständigen Boxen mit vibrierendem Bass usw. ist eine der Möglichkeiten, die so ein System erst erlaubt, weil ja der PC die Echtzeit-Lokfahrdaten lesen kann, und entsprechend Sound abspielen kann. Ich finde die heutige Soundtechnologie auf den Loks unbefriedigend (oder etwas frecher... Barbie-like).

@fantux, @Maxjonimus:
Also der Reibungskompensationsmodus funktioniert mit jedem Getriebe, sei es selbsthemmend oder nicht. Ich habe diesen momentan mit zwei Loks von Roco getestet, die Ce 6/8 II und die De 4/4 der SBB, beide mit Schneckenradgetriebe. Funktioniert hervorragend!

In diesem Video wird speziell die Doppeltraktion vorgestellt.

@Tim:
Ich muss präzisieren, die Funkkommunikation geht nicht über WLAN, sondern über IEEE 802.15.4, ein Digitalfunkprotokoll welches z.B. auch für Zigbee benutzt wird. Es ist einfacher und Energie-effizienter als WLAN, es wird in der Industrie und Gebäudetechnik verwendet, um Sensoren und Aktuatoren zu vernetzen.

Zu Deiner Frage über Weichen und Signale: ja, es wird über Funk kommuniziert, genauso wie mit den Loks. Die Weichen- und Signal-"Decoder" werden einfach an der Schienenspeisung gespiesen, und absolut keine Datenkabel.

Zu Deiner Frage über Mehrfachtraktion: ja, die Lok kann auch so konfiguriert werden, dass sie eine konstante Kraft liefert, stossend oder ziehend.

@Videoman:
Momentan ist mein System auf 255 Knoten beschränkt (Adressraum 8bit). Ich kann mir ganz gut vorstellen, es in naher Zukunft auf 32bit zu erweitern (theoretisch über 4 Milliarden Knoten). IEEE 802.15.4 definiert ca. ein Duzend Frequenzkanäle, in meinem System kann ein beliebiger davon konfiguriert werden. Um die Gesamt-Bandbreite zu erhöhen, könnte man ohne weiteres mehrere Frequenzkanäle gleichzeitig benutzen, z.B. fixe Installationen Kanal x, Fahrzeuge Kanal y. Kurz: Potential für Skalierbarkeit ist vorhanden, aber momentan noch nicht gefördert. Was man fairerweise auch sagen muss, das Kommunikationsprotokoll ist zurzeit Master-Slave, das heisst, alle Anfragen gehen von der Zentrale aus (lesen und schreiben). Also es gibt noch keine von den Knoten initiierten Events. Aus Einfachheit!

@Klaus:
Die Lokkontroller haben so oder so einen Gleichrichter, schon nur deswegen, weil die Lok in beide Fahrrichtungen aufs Gleis gesetzt werden kann (und wegen den Schlaufen). Dieser ist jedoch nicht für AC vorgesehen, mit Sinus-förmiger Spannung und so. Jedenfalls meine Kontroller brauchen zurzeit 16V DC. Hingegen 2-Leiter oder 3-Leiter ist völlig egal.

Ich werde in nächster Zeit auch wieder einmal die Bm 4/4 der SBB (Billigst-Lok von Lima) testen, nur so aus Neugier, um zu sehen was die Motorsteuerung auch aus diesem miesen Motor rausholen kann.

Liebe Grüsse
oli4

[schaerra]

Hallo Oli,

der Film mit der Doppeltraktion ist sehr beeindruckend, ich möchte sogar sagen genial! Ich fahre mit der konventionellen Technik schon sehr lange Doppeltraktionen. Ich habe dabei schon alles mögliche ausprobiert, aber wie Du sagst, es bleibt immer Problematisch. Im Sandwich (wie im Film) ist es konventionell so gut wie unmöglich.
Nur auf meiner Alaska Anlage funktioniert die Sache wegen der nicht vorhandenen Haftreifen an den Loks relativ gut. Auch wenn eine Schiebelok mitfährt. Allerdings bleibt die Tatsache, dass die Lastregelung der Decoder immer gegeneinander kämpft. Nur dass sich bei den Amiloks diese Energie in Schlupf auflöst.

Dein System hingegen bringt hier wirklich neue Möglichkeiten. SUPER!
Noch eine andere Frage:
Wie ist es mit Störungen des Funknetzes von Aussen? Im Film sieht man den Maschendrahtzaun als Absturzsicherung an Deiner Helix, stört dieser die Funkverbindung nicht? Ich könnte mir vorstellen das es zum Beispiel in Tunnels (Fliegengitter) probleme geben könnte, welche aber sicher auch lösbar sind.

[speedy200]

Hallo Oli,
das ist mal richtiges Kino!

Das mit den Sendern und Störungen könnte bei Märklin Loks mit Metallgehäuse schwierig werden. S. a. Uhlenbrock. Dort muß ein Loch in das Gehäuse gebohrt werden.
Wäre hier wahrscheinlich auch der Fall, oder?

Grüße
speedy

[Nichteisenbahner]

Zitat von Zimmerle

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reiche ein Patent ein!

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Hi,
Patent ist übrigens vorbei (Vorveröffentlichung)
Gruß
Martin

[Maxjonimus]

Zitat von Nichteisenbahner

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Patent ist übrigens vorbei (Vorveröffentlichung)

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Aber er hat ja noch nicht die Software veröffentlicht, darauf hat er ja sowieso Urheberrecht, ebenso auf die Hardware-Entwicklung, die hat er ja auch nicht veröffentlicht.

Lediglich die Idee der Funksteuerung ist veröffentlicht. Aber dasmachen, mit anderem Protokoll, ja auch schon andere Modellbahner, z.B. die Echtdampf-Fahrer!

[Rick]

Also das ist sehr interessant.
Ich denke, es lohnt sich, diesen Beitrag weiter zu verfolgen.
Mal sehen wie es weiter geht.

Daumen hoch und Hut ab vor so viel konstruktiver Arbeit!

[oli4]

Hallo zäme,
nochmals vielen Dank für Euer Feedback! Zum Thema Patent, gehe ich folgendermassen vor, ich mache Defensiv-Publikationen der Idee, und weil es einige von Euch interessiert, unter anderem auch gleich hier und jetzt . Es ist nämlich ziemlich einfach. Einfacher als von Maxjonimus weiter oben angenommen, weil es kein Optimum suchen muss oder ähnlich. Eigentlich ist es nichts anderes als ein Strom-regulierter Motor, bei welchem der Soll-Strom in Funktion der gemessenen Geschwindigkeit verändert wird. Also legen wir los...

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Titel
Steuerung von Modelleisenbahnlokomotiven in Mehrfachtraktion mit Hilfe des Reibungskompen- sationsmodus.

Beschreibung
Motorsteuerungsmethode des Lokdecoders von Modelleisenbahnlokomotiven mit DC-Motor, welche in Mehrfachtraktion eingesetzt werden, mit dem Ziel, möglichst kleine Kräfte zwischen den Lokomotiven zu erzeugen, um die Entgleisungsgefahr der dazwischen gekoppelten Wagen zu minimieren.

Problembeschreibung
Bei Modelleisenbahnen im Masstab H0 und kleiner ist der Einsatz von Mehrfachtraktion nur beschränkt sicher zu betreiben. Der Grund liegt darin, dass alle Lokomotiven die Geschwindigkeit vorgeben wollen, und bei auch nur kleinster Variation der Geschwindigkeiten der Loks grosse Zug- oder Stosskräfte zwischen den Loks entstehen. Somit sind Mehrfachtraktion mit vielen Wagen zwischen den Loks (z.B. eine zusätzliche Lok in der Zugmitte, und/oder eine zusätzliche stossende Lok am Zugschluss) sehr riskant, weil durch die hohen Kräfte die dazwischen liegenden Wagen entgleisen können. Das Problem besteht bei allen auf dem Markt befindlichen Lokdecoder mit und auch ohne „Lastregelung“ (bei Modellbahner üblicher Begriff für geschwindigkeitsregulierte DC- Motoren).

Detaillierte Beschreibung
Um die Zug- und Stosskräfte zwischen den Loks einer Mehrfachtraktion zu verringern, wird folgendermassen vorgegangen:

- eine und nur eine Lok wird ganz klassisch geschwindigkeitsreguliert betrieben. Diese Lok wird Masterlok genannt.

- alle anderen Loks des selben Zuges werden per Reibungskompensation betrieben. Diese werden Slaveloks genannt.

Eine Mehrfachtraktion besteht immer aus einer Masterlok und aus einer oder mehreren Slaveloks. Für die Motorsteuerung der Slaveloks (also mit Reibungskompensation) werden folgende Funktionseinheiten verwendet:

- ein PID-Stromregler (1.1), mit welchem der Motorstrom geregelt wird. Der Soll- Motorstrom (Stellwert) wird vorgegeben, und der Ist-Motorstrom (Rückkoppelung) wird gemessen (z.B. mittels Shuntwiderstand). Die Differenz (1.7) von Stellwert minus Rückkoppelung wird dem PID-Stromregler (1.1) geliefert. Der PID-Stromregler ist ein klassischer Proportional/Integral/Differenzial-Regler. Der Ausgang des PID-Reglers liefert die Soll-Motorspannung.

- eine PWM-Ausgangsstufe (1.2) treibt den DC-Motor (1.3) in Funktion der Soll- Motorspannung an.

- eine Motordrehzahlmessung (1.4), welche die Ist-Motordrehzahl misst. Diese wird üblicherweise Sensor-los mit Hilfe der Messung der Gegen-EMK (Back-EMF) des DC- Motors realisiert wird.

- eine Reibungskompensationseinheit (1.5), welche den minimalen Soll-Motorstrom in Funktion der Ist-Drehzahl berechnet. Diese basiert auf einem Modell mit linearen Segmenten. Es müssen mindestens ein Segment (2.3) mit zwei Punkten (2.1 und 2.2) konfiguriert werden, z.B. den minimalen Soll-Motorstrom bei Ist-Drehzahl null (2.1) (das heisst, den minimalen Strom welche der Motor braucht, um ohne Zuglast auf der Ebene knapp nicht loszufahren), und den minimalen Soll-Motorstrom bei einer üblichen Geschwindigkeit (2.2) (auch ohne Zuglast auf der Ebene). Für alle anderen Ist-Drehzahlen wird der Soll-Motorstrom linear interpoliert oder extrapoliert.

Die Funktionseinheiten arbeiten folgendermassen zusammen: Die Ist-Motordrehzahl wird gemessen (1.4), diese wird der Reibungskompensationseinheit (1.5) geliefert, welche wiederum ihr Resultat, den minimalen Soll-Motorstrom, als Stellwert des PID-Stromreglers (1.1) liefert. Mit dem Ausgang des PID-Stromreglers wird schlussendlich via PWM-Ausgangsstufe (1.2) der DC-Motor (1.3) gesteuert. Die ganze Prozedur wird periodisch (z.B. alle 50ms) ausgeführt, während der gesamten Fahrzeit.

Eine so reibungskompensiert gesteuerte Slavelok verhält sich ganz natürlich passiv, dreht die Räder so schnell wie sie aus äusserer Kraft gestossen oder gezogen wird, also als hätte die Lok nur Laufachsen. Somit braucht die Slavelok unbedingt eine Masterlok, welche diese äussere Kraft vorgibt. Dank diesem charakteristischen passiven Verhalten der Slavelok entstehen keine grossen Kräfte zwischen den Loks, was sich positiv auf die Entgleisungsgefahr der Zwischenwagen auswirkt, und was ja das gesuchte Ziel dieser Idee ist.

Das Prinzip funktioniert unabhängig davon, ob das Getriebe zwischen dem Motor und den Rädern selbsthemmend (z.B. mit Schneckenrad) ist oder nicht.

Das Modell der Reibungskompensation funktioniert nur unidirektionell, also nur in einer gegebenen Fahrtrichtung. Die externe Zentralsteuerung, muss allen Loks (Masterlok und Slaveloks) gleichzeitig die Geschwindigkeit vorgeben. Die Masterlok benutzt den Geschwindigkeitswert um seine Geschwindigkeit zu regeln. Die Slaveloks hingegen, nehmen aus diesem Wert nur die Fahrtrichtungsinformation (das Vorzeichen), um diese der Reibungskompensationseinheit (1.5) zu liefern.

Die Slaveloks können zusätzlich auch so konfiguriert werden, dass diese nicht einfach nur passiv im Zug mitfahren, sondern mit einer konstanten Kraft den Zug leicht stossen oder ziehen, also die Masterlok unterstützend oder entgegenwirkend. Dazu wird zum minimalen Soll-Motorstrom ein konstanter Wert addiert oder subtrahiert (1.6).


Funktionseinheiten und Informationsfluss


Modell der Reibungskompensationseinheit



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Das zum Thema Defensiv-Publikation. Ich hoffe es war nicht zu langweilig . Bei weiteren Unklarheiten, bitte einfach fragen. Habe keine Geheimnisse...

Hier noch paar Antworten:

@Helmut:
der Maschendrahtzaun im Film ist in Realität ein Vogelnetz aus Nylon. Auf meiner Anlage habe ich effektiv keine Lok mit Metallgehäuse und keine in Fliegengitter verdeckten Tunnelstrecken. Also kurz: ich hab noch keine Erfahrung mit schwierigem Funkempfang. Aber das ist mit Sicherheit ernst zu nehmen, die Funkübertragung hat sicher auch seine Grenzen.

@speedy:
ja, es werden mit Sicherheit Massnahmen erforderlich, wenn man einen Funkkontroller in Loks mit Metallgehäuse einbauen möchte. zbus hat zwar Diagnosehilfen, mit welcher man z.B. die Empfangsstärke und die Paket-Fehlerrate aus Sicht von jedem Knoten lesen kann. Klar, dazu braucht man eine minimal funktionierende Funkverbindung. Hilft aber beim Optimieren.

Liebe Grüsse
oli4

[digilox1]

Hallo Olivier,

dünkt mich schon fast unglaublich, was ein Einzelkämpfer(?) mit Kenntnissen, Talent und Willen erreichen kann - Gratulation!

Die Vorführung deines Reibungskompensations-Effekts lässt die Kinnlade ziemlich plötzlich der Schwerkraft folgen.

Dazu einige Fragen:

- Du verwendest Fleischmann Profi-Kupplungen zur Demonstration. Diese kuppeln bekanntermassen hart, aber
spielfrei. Lässt sich der Effekt auch mit Bügelkupplungen oder mit Kadees (wenigstens bei Belastung auf Zug) gleichermassen wirksam darstellen?

- Falls derzeit nicht, hältst du weiteres "Tweaking" in dieser Richtung für möglich?

- Ein mir gravierend erscheinender Vorteil deines Verfahrens, besteht darin, dass kein kommunikativer Aufwand zwischen den Loks getrieben werden muss, weder via RailCom, noch über den Zug verteilte Hardware wie stromführende Kupplungen nach dem Beispiel von T4T, noch über vorausgehende, mehr oder weniger umfangreiche Abgleichmassnahmen und Messungen bei allen Loks, die für den Traktionsbetrieb in Frage kommen, ebenfalls bei T4T.
Sind bei deinem Verfahren der "Reibungskompensation" wirklich Traktionskombinationen von Loks grösstmöglich differierender Höchstgeschwindigkeiten ohne Anpassungseinstellungen möglich (vom Verständnis der Erläuterungen im Video her, ja, aber gibts da nicht doch Grenzen)?

- Liesse sich das Verfahren auch in die derzeit kommerziell verfügbaren Decoder der bekannten Marken und der üblichen Gleisformate implementieren, evtl. in der gleichen Art wie es Sounddecoder versierten Usern ermöglichen, ihre eigenen Projekte zu laden, oder reicht die vorhandene Speicherkapazität vielleicht nicht?

- Was mir seit einiger Zeit auffällt bei Decodern: Der Krach im untersten Geschwindigkeitsereich nimmt wieder zu, zudem sind z.B. bei ESUs LokSound- und LokPilot-Decodern und den Decodern von Zimo nicht gerade angenehme Frequenzsprünge zu hören (Änderungen der "Samplingfrequenz?).
Ich schreibe das der Überhandnahme der Sounddecoder zu und der vermutlich bei den Entwicklern damit einhergehenden Einstellung, dass man das Motorgeräusch eh nicht mehr höre.
Ähmm, dein Lokmodul dünkt mich untenrum besonders laut.

Weiterhin viel Erfolg bei deinen Bemühungen wünscht
grüssend,

Manfred

[Timothy]

Hallo oli4,

nein, es war nicht langweilig. Ganz im Gegenteil, es war sehr interessant und auch klar formuliert. Selbst ich als Laie habe es gut verstanden.

Auch ich frage mich, ob sich die Funktion der Reibungskompensation per Software in Decodern der bekannten Hersteller einbinden ließe (nicht unbedingt vom User aus, aber vom Hersteller)? Wenn ja, wäre der Gedanke eines Patents auf diese Idee (wenn dies möglich ist) wirklich ratsam. Die Idee ist geradezu famos. Man könnte dann z.B. über eine CV zwischen "normalen" Modus (=Masterlok) und Reibungskompensation (=Slavelok) umschalten.

Gruß

Tim

[digilox1]

Hallo Tim,

Zitat

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Man könnte dann z.B. über eine CV zwischen "normalen" Modus (=Masterlok) und Reibungskompensation (=Slavelok) umschalten.

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nein, bei DCC automatisch, wenn CV 19 grösser 0.

Gruss,
Manfred

[digitalmarc]

Hallo Olivier,

Das ist ein sehr interessantes Thema! Davon bin ich echt begeister. Mich hat die Technik schon immer fasziniert und ich habe Elektroniker gelernt. Ich hatte auch schon die Idee, dass man doch diese Steuerung mit Funk machen könnte. Diese elende verkablerei, hängt mir langsam zum Hals raus . Softwaretechnisch hätte man dann eine eigene Software, welche als Zentrale und als Steuerung (wie z. B. TC) fungiert.

Nun ich verfolge deinen Thread weiterhin und freue mich auf neue Ergebnisse.

[oli4]

hallo zäme,
hier noch paar Antworten und Ergänzungen.

Zitat

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Du verwendest Fleischmann Profi-Kupplungen zur Demonstration. Diese kuppeln bekanntermassen hart, aber
spielfrei. Lässt sich der Effekt auch mit Bügelkupplungen oder mit Kadees (wenigstens bei Belastung auf Zug) gleichermassen wirksam darstellen?

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Die Fleischmann-Kupplungen sind zwar spielfrei, aber die Halterungen, Drehgestellzapfen und Kurzkupplungskinematik sind es gar nicht. Mein Testzug hat ein Gesamtspiel von Lok zu Lok von mehreren Zentimetern. Im Video über Doppeltraktion erkennt man bei Minute 2:42 das riesige Spiel ziemlich gut. Die Masterlok Ce 6/8 II oben stösst den Zug an. Die Slavelok (eine Wendelschlaufe weiter unten) setzt sich erst nach einigen Centimetern in Bewegung. Also ein bisschen mehr oder weniger Spiel durch andere Kupplungen sind kein Problem.

Zitat

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Sind bei deinem Verfahren der "Reibungskompensation" wirklich Traktionskombinationen von Loks grösstmöglich differierender Höchstgeschwindigkeiten ohne Anpassungseinstellungen möglich (vom Verständnis der Erläuterungen im Video her, ja, aber gibts da nicht doch Grenzen)?

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Die Geschwindigkeit ist prinzipiell egal (natürlich nur solange die Slavelok diese auch erreichen kann). Der Motor ist ja Strom-reguliert, und nicht Geschwindigkeits-reguliert. Das heisst, in der Slavelok wird die Motorspannung so variiert, dass der produzierte Strom der Vorgabe entspricht. Und der Strom ist proportional zum Drehmoment.

Die Grenzen dieses Systems liegen eher beim Kräfteverhältnis der Loks. Also wenn die Masterlok ein federleichtes Vögelein ist mit nur einer angetriebenen Achse, und die Slavelok ein tonnenschwerer Elefant mit Allachsenantrieb, dann wird's sicher problematisch. Weil der Elefant, auch wenn er noch so vorsichtig versucht, nur seine Reibung zu kompensieren, das Vögelein mit sich hin und her reissen wird. Habe die Grenzen noch nicht getestet.

Zitat

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Liesse sich das Verfahren auch in die derzeit kommerziell verfügbaren Decoder der bekannten Marken und der üblichen Gleisformate implementieren, evtl. in der gleichen Art wie es Sounddecoder versierten Usern ermöglichen, ihre eigenen Projekte zu laden, oder reicht die vorhandene Speicherkapazität vielleicht nicht?

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Die heutigen Decoder haben dieses Feature nicht vorgesehen. Die Hardwareanforderungen beschränken sich auf eine Strommessschaltung (per Shunt), welche vorhanden oder nicht vorhanden ist. Aber die bekannten Marken müssten dann auch ihre Firmware erweitern, um die Reibungskompensation einzubinden.

Zitat

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Ähmm, dein Lokmodul dünkt mich untenrum besonders laut.

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Der zbus Lokkontroller ist auf extrem langsames Fahren getrimmt. Echt! Geschwindigkeiten unter 1mm/s sind kein Problem! Siehe folgendes Video:

Die Kunst des Langsamfahrens

Der Lärm war mir bis jetzt egal. Und nach meiner Erfahrung können diese DC-Motoren nur mit Tieffrequenz-PWM anständig langsam fahren, und das macht Lärm und sieht hässlich aus. Bei höheren Geschwindigkeiten wechselt er dann auf Hochfrequenz-PWM, dann wird alles wieder sehr leise. Beim zbus Lokkontroller sind PWM-Frequenz flexibel in Funktion der Geschwindigkeit konfigurierbar. Also wenn jemand lieber auf Lärm trimmen will, kann er im gesamten Geschwindigkeitsbereich Hochfrequenz-PWM benutzen. Das ist dann schön leise.

Liebe Grüsse
oli4

[fantux]

Hallo Oli,

vielen Dank für die Ausführliche Erkläung! Allerdings verstehe ich das hier noch immer nicht:

Zitat von oli4

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Das Prinzip funktioniert unabhängig davon, ob das Getriebe zwischen dem Motor und den Rädern selbsthemmend (z.B. mit Schneckenrad) ist oder nicht.

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Meine bisherige Erfahrung mit Schneckengetrieben war, dass man durch bewegen der Räder eben nicht den Motor in Bewegung versetzen kann. Damit deine Reibungskompensation arbeiten kann, muss sich der Motor aber doch drehen - und offensichtlich funktioniert es ja auch. Aber wie und warum können bei dir die Räder den Motor drehen? Du stellst meinen Glauben an die Physik auf den Kopf

Gruß,
fantux

[kschwi]

Hallo Oliver,

Zitat

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Zitat

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Liesse sich das Verfahren auch in die derzeit kommerziell verfügbaren Decoder der bekannten Marken und der üblichen Gleisformate implementieren, evtl. in der gleichen Art wie es Sounddecoder versierten Usern ermöglichen, ihre eigenen Projekte zu laden, oder reicht die vorhandene Speicherkapazität vielleicht nicht?

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Die heutigen Decoder haben dieses Feature nicht vorgesehen. Die Hardwareanforderungen beschränken sich auf eine Strommessschaltung (per Shunt), welche vorhanden oder nicht vorhanden ist. Aber die bekannten Marken müssten dann auch ihre Firmware erweitern, um die Reibungskompensation einzubinden.

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Das wirft für mich die Frage auf, ob deine Regelung nicht ggf. in ein Dekoder Selbstbauprojekt einfließen könnte? Protokolldekoder für DCC findet man für AVR / PIC an jeder Ecke (Fichtelbahn, OpenDCC, Georg Ziegler,...) aber eine solche Regelung ist ja bei keinem Dekoder vorhanden.
Stellst du eigentlich die Regelungsparameter je Lok spezifisch ein? Und wie machst du das mittels Rückkanal und PC-SW, experimentell oder wie bei Lokpiloten "automatisch"?
In deinem Video:"Die Kunst des Langsamfahrens" nennst du ein Akkumanagement. Wozu brauchst du Akkus?
Ciao,
Knut

[oli4]

hallo fantux,
es ist effektif nicht so, dass die Räder das Schneckenrad zum Drehen bringen. Das können sie nicht, weil das Getriebe selbsthemmend ist, und die Energie nur in eine Richtung übertragen werden kann.

Bei der Reibungskompensation wird der umgekehrte Effekt genutzt. Der DC-Motor wird Strom-reguliert betrieben, was heisst, dass er ein konstantes Drehmoment abgibt (das Drehmoment ist ja beim DC-Motor proportional zum Strom). Er versucht also so schnell wie möglich zu drehen, aber eben nur bis das verlangte Drehmoment erreicht ist. Es kann aber gut sein, dass das verlangte Drehmoment schon im Stillstand erreicht wird. Der Motor verhält sich also ähnlich wie eine Spiralfeder.

Nehmen wir an, dies ist der Fall, also der Motor erreicht schon im Stillstand das verlangte Drehmoment. Er versucht also kontinuierlich das Schneckenrad zu drehen, aber eben mit zuwenig Kraft, alles bleibt stehen. Wenn ich jetzt von Hand versuche, die Räder mit zu drehen, dann verringert sich die Last aus Sicht des Motors, und er hat dann knapp genügend Kraft um das Schneckengetriebe mit drehen zu lassen (oder eben: die Reibung des Motors plus Getriebe zu kompensieren).

Das Prinzip funktioniert nur unidirektionell. Wenn ich jetzt versuche von Hand die Räder in die andere Richtung zu drehen, dann bleibt das Ganze einfach stehen. Durch die Selbsthemmung ist das unmöglich. Wenn man sich die Spiralfeder vorstellt, diese kann ja nicht wissen, dass sie nun plötzlich in die andere Drehrichtung hätte vorgespannt sein müssen.

Liebe Grüsse
oli4