Titan 4.1 – Progettiamo un pulsante per slot cars

Pulsante elettronico slot cars

Il pulsante per la guida di slot cars assume una importanza tattica non indifferente, ed è opportuno comprenderne a fondo il funzionamento.

Qualche anno fa, ho scoperto che esisteva ancora uno dei miei giochi preferiti di quando ero bambino… chi è che non ha mai giocato con la pista Polistil e/o Policar? Ho scoperto che questo meraviglioso gioco si pratica ancora in alcuni specifici Club, dove è possibile sfidarsi con altri “Bambinoni”. Ho ricominciato quindi a giocare, con le Slot-Cars (oggi si chiamano così) con un pulsante a resistenze senza regolazioni, “economico” (circa 60,00 €); vedevo però i “Professionisti” che avevano pulsanti con 3-4 anche 5 potenziometri, svariati interruttori, dip-switch e LED, e mi chiedevo a cosa servissero tutte quelle regolazioni per guidare una macchinetta che da piccolo guidavo benissimo con il solo dito pollice!

Con il tempo e l’esperienza, ho capito che effettivamente, qualche regolazione è fondamentale e necessaria, quindi ho cominciato a fare una ricerca di mercato per vedere quale pulsante comprare per essere più competitivo. Purtroppo però, trovavo e provavo (facendomeli prestare dai “Professionisti”), pulsanti che avevano qualcosa in più e qualcosa in meno di altri, oppure  avevano troppe e inutili regolazioni, o addirittura avevano potenziometri per i quali non si notava nessuna differenza a livello di guida, a prescindere dalla posizione in cui venivano posti.

Ho quindi deciso di progettare un pulsante che soddisfacesse le mie aspettative e che avesse quasi tutti i pregi e pochi difetti rispetto a tutti i pulsanti analizzati.

Il panorama attuale

Fondamentalmente, esistono 3 tipologie di pulsanti:

  1. Pulsanti economici con pacco resistenze collegate direttamente in serie al motore.
  2. Pulsanti a transistor che usano il pacco di resistenze per pilotare un transistor di potenza. Questi pulsanti hanno solo il vantaggio di usare un pacco resistenze più piccolo in quanto la corrente che scorre nel motore non passa più tramite il pacco resistenze ma tramite il transistor che si comporta comunque come una normale resistenza, quindi li classificherei come “Pulsanti a resistenza elettronica”.
  3. Pulsanti PWM. Su questo punto mi soffermo e cerco di spiegare in breve cos’è il PWM.

La sigla PWM significa Pulse Width Modulation (chi lavora con Arduino sa di cosa parlo).

In pratica è un’onda quadra con Duty-Cycle variabile, che permette di controllare la velocità del motore della SlotCar.

Un segnale PWM è caratterizzato dalla frequenza (fissa) e dal Duty-Cycle (variabile). il Duty-Cycle è la percentuale di tempo in cui l’onda assume valore alto nel periodo T.
Detto ciò, un Duty-Cycle del 50% corrisponde ad un’onda quadra che assume valore alto per il 50% del tempo e basso per il restante 50%, un Duty-Cycle dell’80% corrisponde ad un’onda quadra che assume valore alto per l’80% del tempo e basso per il restante 20%, mentre un Duty-Cycle del 100% corrisponde ad un segnale sempre alto e un Duty-Cycle dello 0% ad un segnale sempre basso.

Nel nostro caso, il motore viene alimentato sempre con impulsi da 12V più o meno lunghi a seconda della velocità desiderata. Il vantaggio di questa tecnologia risiede nel fatto che il motore verrà sempre alimentato con il massimo voltaggio e quindi avrà sempre la massima tensione di lavoro anche quando gira lentamente.

Un esempio di utilizzo di questa tecnologia la troviamo nei trapani/avvitatori a batteria, dove è fondamentale che anche quando il motore gira lentamente abbia la coppia necessaria ad avvitare o svitare ad esempio una vite.

Facendo girare lentamente il motore si sente il caratteristico fischio della frequenza di pilotaggio.

Figura 1 – Esempi di duty-cycle

Il pulsante da me costruito, ha una frequenza di lavoro di 4KHz quindi ogni periodo dura 0.25 millesimi di secondo.

Nel primo esempio di Figura 1, dove viene richiesta una potenza dell’80%, per il periodo di 0.25 millisecondi, il motore sarà acceso per 0,2 millisecondi e spento per i restanti 0,05 millisecondi. Nel secondo esempio dove viene richiesta una potenza del 50%, per il periodo di 0.25 millisecondi, il motore sarà acceso per 0,125 millisecondi e spento per i restanti 0,125 millisecondi.

Ovviamente con un Duty-Cycle del 100% il motore sarà sempre acceso, mentre con un Duty-Cycle dello 0% il motore sarà sempre spento.

Nella Foto seguente possiamo vedere il pulsante come si presenta e le informazioni principali visualizzate sul display.

pulsante elettronico per slot cars

Caratteristiche del pulsante

La versione attuale del pulsante è basata su di un PIC, un modulo bluetooth e una manciata di componenti elettronici, ma una nuova versione avanzata basata su ESP32 è già in cantiere.

  1. Alimentazione 7-18V – Max corrente di uscita ~50 Ampere di picco
  2. Grilletto magnetico in tecnologia reed (evita falsi contatti e da una buona sensazione di scorrevolezza)
  3. Uscita in PWM (i pulsanti a resistenze o transistor non hanno una costante erogazione di potenza al variare dello sforzo del motore, si comportano inoltre in modo differente in base al tipo di motore)
  4. Display TFT a colori per visualizzare tutte le informazioni utili all’uso del pulsante.
  5. Possibilità di scegliere tramite due tasti + – la curva di risposta del motore (quella che su altri pulsanti si chiama “sensibilità”).
  6. Tramite PC, con collegamento Bluetooth, si possono personalizzare e memorizzare nel pulsante, 8 curve di risposta del motore.
  7. Regolazione del Freno da 0% al 100%
  8. Regolazione del Freno Staccata da 0% al 100% – Questo Freno entra in funzione dopo che il grilletto rimane al massimo per il tempo in secondi >= a quello impostato e visualizzato sulla parte monitor del display.
  9. Regolazione Antispin da 0% al 100% – La regolazione dell’Antispin fa si che se il pilota accelera troppo velocemente, al motore viene dato il tempo di accelerare progressivamente senza strattoni. A seconda delle impostazioni ASM (AntiSpinMax), se “Y” l’Antispin entra in funzione anche quando il pilota schiaccia al massimo il grilletto, se “N” l’Antispin entra in funzione solo nella parte centrale della corsa del grilletto.
  10. Per i finali di potenza vengono utilizzati MOS-FET con resistenza molto bassa, 0.02 Ohm, per cui ho deciso di non mettere nessun relè in quanto sarebbe stato inutile visto che il contatto di quest’ultimo raggiunge valori di resistenza anche 10 volte superiori (0.2 Ohm). Per spiegare la differenza, facciamo un esempio con un motore che assorbe 1 Ampere e una alimentazione di 12V. In realtà, quando il grilletto si trova al massimo, il nostro motore sarà alimentato con:
    12 Volt – (0.02 Ohm * 1 Ampere) =11.98V con il MOS-FET
    12 Volt – (0.2 Ohm * 1 Ampere) =11.80V con il Relè
  11. Modalità “GHOST”, si attiva premendo il tasto “+” in fase di accensione del pulsante. In questa modalità la velocità della macchina si regola con il potenziometro del Freno.
  12. Settaggio e memorizzazione della posizione del grilletto MIN/MAX
  13. Protezione MOSFET tramite controllo della temperatura raggiunta.
  14. Visualizzazione della temperatura raggiunta dai Finali MOS-FET.
  15. Visualizzazione del voltaggio presente in pista.
  16. Batteria da 9V ricaricabile al NI-MH per poter accendere il pulsante ed eseguire le regolazioni prima dello start della gara.

N.B. Da quando il pulsante viene alimentato, a quando diviene operativo, passano circa 3 secondi, questo per permettere al processore di avviare il firmware e caricare le mappature dalla EEPROM interna.

Il cuore hardware del pulsante

E’ importante quindi accendere il pulsante prima dell’avvio della gara altrimenti allo start la nostra macchina partirà con 3 secondi di ritardo rispetto alle altre.

Pulsanti a resistenze e Legge di Ohm

Il motore ha una sua resistenza interna, per variare la velocità, bisogna mettere in serie al motore, un’altra resistenza variabile (pacco resistenze pulsante).

pulsante e legge di ohm

Esempio1 (Pulsante tutto premuto resistenza 0 Ohm):
Resistenza pulsante 0 Ohm
Resistenza motore 10 Ohm
Voltaggio in ingresso 12V
Corrente che scorrerà nel circuito = 12 Volt/(10 Ohm + 0 Ohm) = 1,2 Ampere

La tensione sulle due resistenze (Pulsante e motore) sarà così divisa:
Volt Resistenza Pulsante = 0 Ohm * 1,2 Ampere = 0 Volt
Volt Motore = 10 Ohm * 1,2 Ampere = 12 Volt

Esempio2 (Pulsante con resistenza di 20 Ohm):
Resistenza pulsante 20 Ohm
Resistenza motore 10 Ohm
Voltaggio in ingresso 12V
Corrente che scorrerà nel circuito = 12 Volt / (10 Ohm + 20 Ohm) = 0,4 Ampere

La tensione sulle due resistenze (Pulsante e motore) sarà così divisa:
Volt Resistenza Pulsante = 20 Ohm * 0,4 Ampere = 8 Volt
Volt Motore = 10 Ohm * 0,4 Ampere = 4 Volt

Su questo secondo esempio, ammettiamo che il motore sforzi un po’ di più (la macchina è in salita oppure deve partire da ferma): in questo caso è come se la resistenza interna del motore si abbassasse: ad esempio invece di essere 10 Ohm diventa 5 Ohm. Vediamo che succede:

Resistenza pulsante 20 Ohm
Resistenza motore 5 Ohm
Voltaggio in ingresso 12V
Corrente che scorrerà nel circuito = 12 Volt / (5 Ohm + 20 Ohm) = 0,48 Ampere

La tensione sulle due resistenze (Pulsante e motore) sarà così divisa:
Volt Resistenza Pulsante = 20 Ohm * 0,48 Ampere = 9,6 Volt
Volt Motore = 5 Ohm * 0,48 Ampere = 2,4 Volt

Come si può notare, quando si ha più bisogno di potenza (macchina in salita oppure in partenza da fermo) succede l’opposto, cioè si abbassa ancora di più la tensione ai capi del motore. Questo è il “difetto” dei pulsanti a resistenza o transistor (resistenza elettronica). E, detto tra noi, lo scoglio principale degli studenti di elettronica quando devono valutare la Legge di Ohm a vuoto e con un carico applicato al circuito…

PIC pulsante
Si noti il PIC in primo piano, ed il modulo bluetooth

A queste condizioni, lo stesso pulsante risulterà più aggressivo (erogherà più potenza istantanea) con motori che assorbono di meno, e più “fiacco” con motori che assorbono di più.

Per lo stesso principio, quando una macchina di un altro pilota salta di corsia (capita più spesso di quanto si creda…), chi si trova a guidare le due macchine si accorge subito che la sua macchina rallenta notevolmente, e di conseguenza è portato a premere di più il pulsante per dare più corrente, ma appena viene tolta la macchina “intrusa”, la brusca diminuzione di carico  porta ad uscire anche la macchina che si trova nella corsia corretta.

Questa Legge non vale (o perlomeno è molto attenuata) per i pulsanti in tecnologia PWM, che hanno invece, sempre la medesima caratteristica di erogazione della potenza (anche con due o più macchine sulla stessa corsia).

Utilizzo Pulsante

Sul pulsante sono presenti 3 potenziometri: uno per il “FRENO” uno per ”FRENO STC” ed uno per “ANTISPIN”.

FRENO

La frenata si può regolare dallo 0% al 100%, il vantaggio della frenata in PWM è che ha un effetto tipo ABS in quanto il motore viene frenato con degli impulsi più o meno lunghi.

FRENO STC (staccata)

Questo freno entra in funzione dopo che il grilletto si trova al massimo per il tempo indicato sulla parte “Monitor” del display (Es. >=1.0”) vuol dire che se rimango con il grilletto al massimo per 1 o più secondi, quando si effettua la frenata il pulsante frenerà con il valore settato su “FRENO STC”. Questa modalità è stata pensata per avere più freno dopo il rettilineo principale e meno durante il resto del tracciato. Per non utilizzare il doppio freno basta impostare il tempo di intervento più alto di quanto si impiega per percorrere il rettilineo, oppure impostare entrambi i freni con lo stesso valore.

ANTISPIN

Il potenziometro ANTISPIN imposta un ritardo più o meno lungo a seconda del valore impostato, per arrivare dalla posizione precedente del grilletto, fino alla potenza selezionata in quel momento dal grilletto. (Il pulsante si può configurare in modo tale da eliminare la funzione ANTISPIN quando il grilletto viene premuto a fondo corsa ASM=N)

Tasto “+” e “-“

Il due tasti + e – invece, selezionano una delle 8 mappature disponibili, (si può in parte paragonare a quella che sulla maggior parte dei pulsanti è chiamata “Sensibilità”).

Configurazione Grilletto e Temperatura di protezione MOSFET

Tenendo premuti tutti e due i pulsanti + e – durante l’accensione del pulsante, fa entrare quest’ultimo in modalità “Configurazione”, cioè imposta la posizione minima e massima del grilletto. E’ bene di tanto in tanto, eseguire la configurazione del grilletto, oppure in caso di “strani” comportamenti del pulsante, o se viene sostituito/mosso il sensore.

Una volta entrati nella schermata di configurazione bisogna premere a fondo e rilasciare il grilletto per 3-4 volte, prima di uscire; se necessario, con il tasto “+“ si può cambiare la temperatura oltre la quale il pulsante va in protezione. Premere il tasto “-” per salvare ed uscire.

gestione pulsante

Impostazione tempo Freno STC e ASM

Il tasto – se tenuto premuto durante l’accensione del pulsante, fa entrare quest’ultimo in una modalità in cui, premendo il tasto “+”, si può cambiare il parametro che abilità la funzionalità di Antispin anche quando il grilletto è a fine corsa (ASM = Y). Utilizzando invece, il potenziometro del freno staccata, si cambia il tempo di intervento del “FRENO STC”. Al termine premere “-“ per salvare.

slot cars

Modalità “GHOST“

Il tasto + se tenuto premuto durante l’accensione del pulsante, fa entrare quest’ultimo in modalità “GHOST”, da questo momento il potenziometro normalmente utilizzato per settare il freno, regolerà la velocità della macchina e tutte le altre funzionalità del pulsante saranno disabilitate.

modalita ghost pulsante

Modalità “Rodaggio Motore“

Questa modalità, è attivata automaticamente quando si alimenta la centralina senza aver collegato il pulsante.

Il Rodaggio è suddiviso in tre fasi, personalizzabili tramite software:

Fase 1 = 15’ al 20% di potenza
Fase 2 = 10’ al 30% di potenza
Fase 3 = 5’ al 40% di potenza

Connessione del pulsante al PC via Bluetooth

Il Pulsante comunica con il suo software “Titan.exe”, via Bluetooth. La password del dispositivo Bluetooth è rappresentata dalle ultime 4 cifre del seriale del pulsante.

pulsante bluetooth

Appena viene stabilita la connessione Bluetooth con il pulsante, il display di quest’ultimo, si presenterà come segue:

slot-cars

Considerazioni finali

Lo spazio tiranno ci ha impedito di descrivere le funzionalità del software Titan.exe sviluppato appositamente per la gestione del pulsante.

Ne parleremo più diffusamente nella prossima puntata dedicata al mondo slot-cars. Ci risentiamo tra una settimana!

Puntate precedenti:

Voltmetro su ruote per test su pista per slot-cars

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