Schrittmotorsteuerung

Alles 6-Achs-Schrittmotorsteuerungen für kleine Leistungen (bis 1 A Strangstrom). Wie bei allen sonst gesichteten Schrittmotorsteuerungen wird der Strangstrom durch motorspezifisch zu bestückende Messwiderstände eingestellt.

Siehe auch: Frequenzgenerator für Schrittmotor-Endstufe.

Mit ATmega8 (SM1 + SM2)

Der erste und zweite Entwurf verwendet ATmega8 und eine Reihe Portexpander (74HC595). Reicht sogar, aber der auf 8 kHz begrenzte Berechnungstakt hat den Nachteil, dass bei höheren Schrittfrequenzen der relative Jitter zunimmt, was Schrittverluste begünstigt. Der Flash-Speicher von 8 KByte ist nahezu ausgefüllt.

Schaltpläne und Platinen

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

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

   

Eigenschaften

• 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

Aufbau-Fotos

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

Mit MSP430 (SM3)

Schaltpläne und Platinen

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

Fotos

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.

Ideen (für später)

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

Schrittmotor-Achs-Anschluss

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.

Mit ARM7 (SM4) (Fotos siehe Hexapod-Projekt)

• Vierte Version mit AT91SAM7S64 (ARM7, 32-bit-Mikrocontroller), USB und Mikroschrittbetrieb, kaskadierbar im Master-Slave-Betrieb per RS485 (bis zu 7 Stück), für Hexapod mit Koordinatentransformation in Firmware
  
  Zu dieser Steuerung gehört eine Lokalbedienung mit 1 Inkrementalgeber, bis zu 6 Tasten, bis zu 6 Leuchtdioden sowie 1 alphanumerisches LC-Display 16x2.
  Das Leiterplatten-Design erfordert industrielle Fertigung (hier: Würth-Elektronik WE-Direkt). Die Lokalbedienungseinheit (einseitig) kann selbst geätzt werden.

Gegenüber SM2 folgende Veränderungen:

• Nochmals kompakteres Platinenlayout mit planer Kühlmöglichkeit der Motorsteuer-Chips auf der Unterseite
• Wesentlich höhere verfügbare Rechenleistung mit 32-bit-Mikrocontroller für die Koordinatentransformation und koordinierte Motorsteuerung
• Befestigungsloch-Anordnung passend für Optik-Tische mit 25-mm-Raster
• Nur eine Versorgungsspannung 10..30 V, integrierte 5-V-Versorgung per Schaltregler, Speisung per Hohlstecker und gut verfügbare Steckernetzteile
• USB-Anschluss mit Bootloader
• Standardisierter JTAG-Pfostenstecker (nur für Debugging erforderlich)
• Anschluss für RS485-Bus zur Kaskadierung weiterer SM4 — inklusive Stromversorgung
• Geänderter (eigentlich nicht vorgesehener) End- und Referenzschalter-Anschluss
• Erweiterter (inkompatibler) Lokalbedienungs-Anschluss

Alle Steuerungen sind per serieller Schnittstelle fernsteuerbar.

Piezo-Steuerung mit MSP430 (PS1)

6-kanalig für Piezo-Schiebeaktoren (wahrscheinlich von SmarAct) unter Ausnutzung von Gleit- und Haftreibung.

Die neue Serie MSP430F55xx ist endlich mit USB verfügbar, so kommt man schließlich von der seriellen Schnittstelle weg und hat eine günstige Option der Selbstversorgung.

Diesmal wird der Weg mit der RS485-Kaskadierung gegangen, um gemeinsam mit den Hexapods nur ein Steuergerät zu benötigen.

Probeweise Inbetriebnahme des MSP430F5525-Bootloaders

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.

Aufbau

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

Funktionsprinzip

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

Mehrwegebetrieb

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.

Digitale Ein/Ausgabe (mal ohne Mikrocontroller)

Zur Ansteuerung ein Demo-Programm in LabVIEW.

• Schaltplan und Leiterplatte: oben und unten
  
  

  Aufbau-Fotos: Inbetriebnahme mit Druckluft-Schaltern

 Name                    Last modified      Size  Description
 Firmware.zip            2015-02-12 15:57   94K  Firmware-Quelltexte (Einsicht)
 Eagle.zip               2015-02-27 13:36  1.2M  Eagle-Quellen (Einsicht)
 LabVIEW/                2015-01-26 18:03    -   Allgemein nützliche Hilfsprogramme (besonders um Unicode)
 smc.zip                 2014-05-09 18:58   41K  
 a-aus-x.gif             2014-01-20 10:52  6.7K  
 SolidEdge.zip           2014-01-21 14:43   17K  
 Programmierung-OWIS.htm 2016-04-29 13:07   16K  
 5-4-Umrüstung.htm      2016-04-15 15:04  2.7K