Schrittmotorsteuerung

• Erste Version mit ATmega8 (8-bit-Mikrocontroller), Sammelmotoranschlüsse
  

• Zweite Version ebenso, modifizierte Leiterplatte für andere (größere) Gehäusebauformen der 74HC595
  

   

• Maximale rechentechnische Schrittfrequenz: 8000 Vollschritt/s (8 kHz; 125 µs pro Rechenschritt, gleichzeitig für alle 6 Motoren)
• Maximale praktikable Schrittfrequenz: 8000 Halbschritt/s
• Maximum an Strangspannung und Strangstrom: 46 V (Speisespannung), 1,2 A (einstellbar über Messwiderstände), Konstantstromsteuerung durch energieeffiziente Pulsweitenmodulation (maximale sinnvolle Schrittmotorgröße: 42 mm = NEMA 17), Vierdraht-Motoranschluss
• Endschalter: insgesamt 8, Achsenzuordnung:
  • 3 Achsen mit je 2 Schaltern (Lineare Achsen)
  • 2 Achsen mit 1 Schalter (Rotationsachsen)
  • 1 Achse ohne Schalter (bspw. Spindelmotor)
  Zuordnung als End- oder Referenzschalter wählbar, wird im EEPROM gespeichert (nur 8 ist ein Schwachpunkt, ist bei SM3 beseitigt)
• Kein Mikroschrittbetrieb (ist ein Schwachpunkt, ist bei SM3 beseitigt)
• Speisung via Floppy-Stecker oder Schraubklemmen mit 5 V, ca. 100 mA, und 10..46 V, max. 3 A (je nach Motoren)
• Serielle Schnittstelle mit 8-bit-Binärdatenübertragung bei 38400 Baud (≈ 4 kByte/s), mit flinker Motor-Statusabfrage (eben weil binär), Master-Slave-Konzept (ähnlich USB, SM2 sendet nur Antworten, niemals von selbst), Mehrbyte-Anordnung: Little Endian (kompatibel zu USB, Intel-PCs, MSP430 und WinAVR), saubere Struktur-Ausrichtung, viele Ein-Byte-Kommandos, kein Eingabepuffer sondern sofortige Kommandoverarbeitung (außer bei Mehr-Byte-Kommandos, Kommandogröße max. 256 Bytes), Ausgabepuffer: 256 Bytes
• Zusätzliche Anschlüsse: 4 digitale Ausgänge, 1 SPI-Kaskadierungsausgang (letzterer nur zum Anlöten)
• Serieller Bootloader, AVR109-kompatibel, nur 1 KByte groß, 9600 Baud, verbleiben 7 KByte für die Firmware
• Bootloader und Firmware in C-Quelltext offen gelegt (open-source), ohne Interrupts (außer für Sleep-Modus), dadurch keine Race-Conditions
• Lokalbedienung mit 3 Tasten, 1 Inkrementalgeber mit Tastfunktion und 1 Zweifarb-LED, Funktionen:
  • Achse auswählen (Rückmeldung über LED)
  • Einzelschritt fahren (mit Inkrementalgeber) — sehr enge Kopplung, daher keine spürbare Reaktionsverzögerung
  • Fahrgeschwindigkeit einstellen (mit gedrücktem Inkrementalgeber)
  • bremsen und stoppen (Loslassen des Inkrementalgebers)
  • Referenzfahrt auslösen
  • Greifer oder Werkzeug-Spindelmotor schalten (4 Ausgänge wählbar)
  • Bootloader starten (mit allen Tasten)
  • Demo/Schmiermodus starten (alle Motoren fahren zwischen den Hardware- oder Software-Endschaltern)
• Schnelle Integer-Arithmetik mit drei universellen Sonder-Konstanten für NaN (Not-a-number, keine Zahl), +Inf (+∞) und –Inf (–∞)
• Zielfahrt absolut oder relativ, mit einzeln festlegbarer Geschwindigkeit und Beschleunigung über die serielle Schnittstelle, lineare Beschleunigungs- und Bremsrampen, zielgenaue Bremsung ohne Schleichfahrt oder Übertritt (davon träumt jeder Lokführer:-)
• Unterstützung von rotatorischen Antrieben ohne Endlagen, Fahrmöglichkeit nach ±∞ („Geschwindigkeits-Modus“, Abbremsen und Anhalten mit Stopp-Kommando), zyklische Positionsausgabe (Begrenzung auf 0° .. <360° ist gemeint, die beiden Zahlenwerte sind frei definierbar)
• Referenzfahrt in beliebige Richtung, auch ohne Schalter (auf mechanischen Anschlag) mit festlegbarer Eil-Geschwindigkeit und -Beschleunigung, frei definierbarer Referenz-Koordinate, Report der Abweichung zu einer vorher gehenden Referenzfahrt, optional automatische Fahrt zur Nullposition anschließend
• Fernsteuerbarkeit über serielle Schnittstelle genauso wie Lokalbedienung, ermöglicht alternative Eingabegeräte am PC
• Capture der Lokalbedienung (Lokalbedienfunktionen werden nicht ausgeführt, sondern auf die serielle Schnittstelle umgeleitet, bspw. für eine weitere Motorsteuerung) — sehr enge Kopplung möglich, keine spürbare Reaktionsverzögerung auch zu einer anderen Schrittmotorkarte (siehe unten genannte Windows-Software)
• Festlegung von Grenzwerten (Software-Endschalter, Maximalgeschwindigkeit usw.) über serielle Schnittstelle möglich, werden persistent im EEPROM gespeichert
• Umrechnungsfaktor, Einheit und Achsbezeichnung im EEPROM, Zeichenketten in UTF-8, ermöglicht Plug-And-Play von Motor­steuer­software ohne Konfigurationsdateien
• Istwert persistent (Stromabschaltung führt nicht zum Verlust der Referenzierung und der Momentanposition), kein Zwang zur Referenzfahrt beim Einschalten (wichtig für Experimentalaufbauten)
• Umfangreiches und komfortables LabVIEW-Steuerprogramm vorhanden, Funktionen:
  • Zielfahrt, Referenzfahrt, Anzeige aller Motordaten in hex und umgerechnet in Einheiten
  • Vollständige Konfigurationsmöglichkeit via EEPROM-Editor
  • Koordinierte Bahnsteuerung: Kreis (als Demo) sowie beliebig von externen CSV-Positionsdaten
• Einfaches, Bildschirmplatz sparendes Win32-Steuerprogramm vorhanden (speziell für Lokalbedienungsumleitung)
• Koordinierte Bahnsteuerung von 1-6 Motoren bei 500 Sa/s (Geschwindigkeitsänderungsrate, trotzdem 8 kHz Schrittfrequenz); Übertragung von Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsvektoren (wahlweise v- oder a-Betrieb) über die serielle Schnittstelle, Flusskontrolle (nur down-stream) via XON/XOFF-Protokoll, Empfangspuffergröße 256 Bytes, XOFF-Limit bei 128 Bytes, ausreichend für mindestens 21 ms Black-Out), automatische Detektion von Puffer­unterläufen und Grenzwert­überschreitungen. Der Steuer-PC muss einen ent­sprechenden Datenstrom generieren und den seriellen Rückkanal prüfen. Die Lokalbedienung ist im Capture-Betrieb und kann von der Steuer­software ausgewertet werden, etwa für eine Geschwindigkeits­veränderung. Berechnungs­vorschrift (a-Betrieb) aus Positions­werten siehe Bild rechts. Alle Variablen außer x_n sind vom Typ Integer (int32). Deren Einheit ist Mikroschritt.
  Zum Vergleich: Die Steuerplatine SmoothStepper hat ja noch keine Endstufen, macht einstellbar 0,25 .. 4 kSa/s und kann ≥ 32 kHz Schrittfrequenz.
• Geradezu winzige Leiterplatten-Abmessungen (100 x 76 x 18 mm³), entwerfbar mit der Freeware-Version von Eagle (halbe Euro-Platine), gute Stapelbarkeit durch Befestigungslöcher, metrische Maße; gängige, preiswerte Bauelemente (teilweise als kostenlose Muster lieferbar), Hand-Durchkontaktierung und -Bestückung möglich

Oben: Bedienelemente und LED
Links: Serielle Schnittstelle und Stromversorgung
Rechts: Schrittmotor-Anschlüsse, OWIS-kompatibel
Fliegende Verdrahtung
Zweite Ausgabe im größeren Gehäuse
dito von hinten mit Netzteil

Natürlich sind auch 3 Taster und 1 Inkrementalgeber mit Tastfunktion möglich. Die Tastfunktion ist dann mit Motoren STOP zu belegen.

Zu allen Steuerungen gehört eine Lokalbedienung mit 1 Inkrementalgeber, 4 Tasten und 1 Zweifarb-Leuchtdiode.
Das Leiterplatten-Design ist für die Selbstherstellung geeignet.

Mit einer Tochterplatine ist via RS485 eine Kopplung untereinander vorgesehen, auf der Leiterplatte „verewigt“ ist es aber erst mit SM4.

Weil der verwendete Mikrocontroller MSP430F2614 im 80-pol. TQFP-Gehäuse genügend Beine für die direkte Ansteuerung der Schrittmotor-Endstufen hat (ohne Port-Expander 74HC595) und außerdem genügend Timer, kann das interne Regime für die Rampengenerierung ganz anders gestaltet werden. Das Interface an der Schnittstelle soll kompatibel bleiben.

• Infrarotempfänger und Infrarot-Bedieneinheit
• Infrarotsender und Bedieneinheit mit Anzeigefunktion
• dito per Funk

Der Schrittmotor-Anschluss ist — so gut es geht — kompatibel zu ISEL-Steuerungen. Bei ISEL gehen die Schalter wahrscheinlich zum Pin 5, bei mir zum Pin 8. Ein Widerstand im Stecker (ca. 10 kΩ von Pin 5 nach Pin 8) macht einen (bremsenlosen!) ISEL-Antrieb kompatibel zu SM3. Ärgerlicherweise backen OWIS und STANDA jeweils ihren eigenen Standard, basierend auf SubD15HD-Steckern. Ob ISEL Öffner oder Schließer als Endschalter verwendet bleibt unklar.

• Öffner als Endschalter haben den Vorteil, als Ansteck-Erkennung dienen zu können, da mindestens einer geschlossen sein sollte. (Betrifft nur lineare Achsen.)
• Schließer haben den Vorteil, dass eine Achse ohne Endschalter im Experimentalaufbau nicht blockiert.

Hinweis zum Verständnis: Alle Schrittmotorsteuerungen können mit Adaptern passend zu jedwedem Antrieb gemacht werden. Beim SM3 ist der Adapter am einfachsten konstruiert, weil ein MicroMaTch-Stecker, ein 8-poliges Flachbandkabel und eine SubD-Buchse mit Schneid/Klemm-Anschluss genügt (ohne zu löten), sofern man es mit einem ISEL-kompatiblen Antrieb zu tun hat. Viele Bastler und Hobby-NC-Maschinen benutzen jene Anschlussbelegung.

Zunächst wurde eine Universalträgerleiterplatte entwickelt und bestückt (siehe Archivdatei unten).

Die erprobte, erforderliche Minimalbeschaltung des 80-poligen Gehäuses sieht so aus:

• USB-5V (rt) an Pin 65 (U_BUS)
• USB-D– (ws) an Pin 64 (DM)
• USB-D+ (gn) an Pin 62 (DP)
• USB-00 (sw) an Pin 61 (U_SSU)
• Grundton-Quarz 12000 kHz an Pin 69 und 70 (XT2IN und XT2OUT)
• Brücke zwischen Pin 66 (U_USB) und Pin 50 (DU_CC2)
• Widerstand 1,5 kΩ zwischen Pin 62 (DP) und Pin 63 (PUR)

Das genügte im Versuchsaufbau (Juli 2010). Keine Kondensatoren!

Sicherheitshalber wurden die Kondensatoren und Brücken nachher hinzugefügt. Danach geht's ans Testen der Bootloader-Software. Die originale von Texas Instruments erwies sich als nicht allzu nützlich, deshalb habe ich sie kurzerhand noch einmal geschrieben.

Die Lageregelung erfolgt mit den Sinus- und Kosinussignalen (Analogspannungen) in den Aktoren, diese werden direkt den 12 A/D-Wandler-Anschlüssen des Mikrocontrollers zugeführt und dort verarbeitet.

Ein mikrocontroller-gesteuerter Hochspannungs-Generator (mit PWM-Ausgang zum Schalttransistor und A/D-Wandler-Eingang zum Messen der Ausgangsspannung) liefert und regelt die benötigte Speisespannung.

Der Rest ist übrige Stromversorgung sowie drei serielle Schnittstellen:

• USB (PC-Ankopplung; geplant ist CDC-Betrieb)
• RS232 (Ersatz falls kein USB für PC-Ankopplung verfügbar)
• RS485 (Kopplung mit gleicher Steuerung sowie Schrittmotorsteuerung 4)

• Schaltplan und Leiterplatte: oben und unten als Vektorgrafik (bestes Anzeigeprogramm: ACDSee 2.43)
  
  
• Eagle3D-Darstellung der Leiterplatte Pardon, hier fehlen die Polygone
   
  
• Fotos von oben und von unten, Handbestückung mit Kolben und 0,5 mm Lötzinndraht, die OPAs mit Paste und Heißluft

Zur Positionsermittlung werden die Sinus- und Kosinussignale der Inkrementalgeber an insgesamt 12 A/D-Wandler-Eingänge geführt, die sich im Mikrocontroller befinden. Das Mikrocontroller-Programm macht damit eine Lageregelung.

Signalverläufe zum Piezo-Aktuator

Das Protokoll sieht vor, dass es einen „Master“ gibt, an dem die Lokalbedienung (mit LC-Anzeige) angeschlossen ist. Dieser kann auch mit dem PC verbunden sein. Je nach angewähltem „Slave“ leitet der Master die Lokalbedienungs-Kommandos an den Slave weiter und stellt Informationen vom Slave auf der LC-Anzeige dar. Das gleiche gilt für Kommandos vom PC, wobei hier der „Fokus“ (also mit welchem Slave der PC gerade spricht) getrennt ist.

Eventuell kann später die Lokalbedienung an einem Slave hängen sowie mehrere Bedienteile (mit getrenntem Fokus) erlaubt sein.