Schritt für Schritt zum Schrittmotor, auch für Anfänger und ohne Löten

Hallo,

auf den ersten Blick mag das Thema Schrittmotoren nicht so ganz in ein Mikroskopieforum passen. Sieht man sich die Eigenschaften von diesen Motoren gemeinsam mit speziellen Motortreibern jedoch genauer an und denkt sich diese z.B. statt der Hand am Feintrieb, wird es gerade für den Bereich Stacking interessant. Die üblichen Schrittmotoren haben meist die Fähigkeit sich mit 1,8 Grad pro Schritten zu drehen, also 200 Schritte pro Umdrehung, wobei jeder einzelne dieser Schritte exakt wieder angefahren werden kann. Um nun aus den 200 Schritten/Umdrehung mehr zu machen kann man entweder ein Getriebe benutzen, oder eben einen elektronischen Motortreiber benutzen. Diese Treiber unterteilen die 1,8 Grad Schritte noch einmal in sogenannte Microsteps, wobei diese je nach Model 1/8, 1/16, 1/32, u.s.w der Schrittweite des Motors betragen können. In diesen Beitrag werde ich zeigen wie der Betrieb eines solchen Motors mit einem Raps128 Schrittmotortreibers und deren Steuerung mithilfe eines Arduino Uno funktioniert. Wie der Name schon andeutet handelt es sich um den Raps128 Treiber um einen 1/128 Microstep Treiber. Er macht also aus 200 Schritte/Umdrehung ganze 25600 Schritte/Umdrehung, oder 0,014° Drehung/Schritt, damit ist durchaus schon was anzufangen.

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Die Shops sind natürlich nur Beispiele von vielen und es bleibt jeden selbst überlassen ob er diese Teile dort bestellt, oder ganz wo anders. Ich selbst profitiere jedenfalls in keinster Weise von diesen beiden Listen.

Zusätzlich brauchen wir die Arduino Software, ein Programm mit dem die Sketche (Steuerungsprogramme) erstellt und auf den Arduino hochgeladen werden.
https://www.arduino.cc/en/Main/Software
Eine 12 Volt Quelle mit min. 1 Ampere und eventuell ein einfacher Voltmeter.

Ist alles geliefert, fangen wir an den Motortreiber, ein paar Drahtbrücken und den Kondensator wie auf dem Bild auf die Steckplatine zu stecken.
zum Vergrößern anklicken
Der Motortreiber ist ganz links und belegt dabei Zeile e und h von Spalte 1-8
Die Drahtbrücken gehen von:
j3 zu j4
i3 zu i8
d8 zu d19
d7 zu d17
d6 zu c15
d5 zu c13
c4 zu c11 und von c3 zu c9
Der Elektrolytkondensator kommt mit seinem Minuspol auf e17 und der Pluspol auf e19. Die Polung ist bitte unbedingt einzuhalten.

Nun werden 3 der 2 poligen Klemmen zusammengesteckt und wie folgt auf das Breadboard platziert.
zum Vergrößern anklicken
Die Beinchen der Klemmen kommen also auf die Positionen a9, a11, a13, a15, a17 und a19. Die rechten 2 Klemmen dienen der Motorstromversorgung (auf die Polung achten) und an die Übrigen kommt der Motor selbst.

Nun muss der Arduino, das Gehirn des Ganzen, noch angeschlossen werden.
ja, auch hier zum Vergrößern anklicken
Die Verbindungen sind folgende:
a1 zu Arduino GND (welches ist eigentlich egal)
j1 zu Arduino Digital 7 (steuert die Laufrichtung des Motors)
j2 zu Arduino Digital 6 ( ein kurzes Signal über diese Leitung lässt den Motor einen Schritt machen, viele kurze Signale nacheinander...)
j5 zu Arduino Digital 5 ( )
j6 zu Arduino Digital 4 ( diese 3 dienen zur Einstellung des Microstep-Modus des Treibers )
j7 zu Arduino Digital 3 ( )

Nach dem Gehirn kommt nun der Muskel und der Rest dran, aber bitte zuerst den Motor anschließen !!!
Der Motortreiber mag es nämlich gar nicht ohne angeschlossene Last mit Strom versorgt zu werden und geht sofort kaputt.
Größeres Bild? Ihr wisst schon..anklicken
Von Links nach Rechts gehören nun das schwarze, grüne, blau und rote Kabel in die Klemmen fixiert, danach kommt der Minuspol und der Pluspol der noch stromlosen 12 Volt Motorstromversorgung. Spätestens jetzt sollte die Arduino Software auf dem PC installiert werden, da sie auch die notwendige Treibersoftware enthält. Der Arduino kann nun mit dem, hoffentlich mitgelieferten, USB-Kabel mit dem PC verbunden werden. Danach sollte der Treiber automatisch installiert werden (Windows, bei anderen Betriebsystemen weiß ich es nicht) und danach Wechseln wir zur Softwareebene des Ganzen.

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Nach dem Öffnen der Arduino IDE präsentiert sich die Benutzeroberfläche des Programms erst einmal so:
wer mag...
Aus dem weißen Feld wird nun alles gelöscht und folgender Code per Copy/Paste in das nun freie Feld eingefügt.

const int MS1 = 3;
const int MS2 = 4;
const int MS3 = 5;
const int Step_Pin = 6;
const int Dir_Pin = 7;
int Motor_Delay = 100;
int Richtung = 0;

void setup() {
pinMode(Step_Pin, OUTPUT);
pinMode(Dir_Pin, OUTPUT);
pinMode(MS1, OUTPUT);
pinMode(MS2, OUTPUT);
pinMode(MS3, OUTPUT);
digitalWrite(MS1, HIGH);
digitalWrite(MS2, HIGH);
digitalWrite(MS3, HIGH);
}
void loop() {
for (long Einzelschritte = 0; Einzelschritte < (25600); Einzelschritte++)
{
digitalWrite(Step_Pin, HIGH);
digitalWrite(Step_Pin, LOW);
delayMicroseconds(Motor_Delay);
}
delay(2000);
if (Richtung == 0) {
digitalWrite(Dir_Pin, HIGH);
Richtung = 1;
} else {
digitalWrite(Dir_Pin, LOW);
Richtung = 0;
}
}

Dieses kleine Testprogramm macht nichts anderes als den Motor 25600 Schritte machen zu lassen, Richtung wechseln, 25600 Schritte usw.. Allerdings muss es dazu erstmals auf dem Arduino hochgeladen werden. Dazu müssen wir in der Arduino IDE nachsehen, ob der richtige Arduino und die richtige COM-Verbindung eingestellt ist. Unter Werkzeuge-->Board sollte Arduino/Genuino Uno stehen, wenn nicht auswählen. Bei Werkzeuge-->Port die Leitung auswählen bei der der Arduino angezeigt wird. Unten Rechts wird diese Einstellung nun angezeigt und mit dem Anklicken des Pfeils wird der Code kompiliert und auf dem Arduino übertragen, wo er danach auch sogleich ausgeführt wird.

Nun nochmal alles Überprüfen, sitzen die Kabeln richtig, stimmt die Polung des Kondensators und die der Motorstromversorgung? Wenn ja, ist nun die Zeit gekommen die 12 Volt fließen zu lassen. Ich gehe nun davon aus, dass sich der Motor bewegt und es fehlt eigentlich nur noch die Einstellung des V_REF-Potis. Über diesen wird geregelt wie viel Strom von der Stromversorgung tatsächlich am Motor ankommt. Ist es zu wenig, fehlt es dem Motor an Kraft und er läuft von gar nicht bis gar schlecht. Ist es zu viel, wird er und der Treiber zu heiß und nehmen schaden.

Das hier ist dieser wichtige Poti

Wer nun ein kleiner Labornetzgerät wie dieses mit Ampere-Anzeige zur Stromversorgung nutzt ist relativ fein raus. Die Volt sollten auf genau 12 Volt eingestellt sein und der Regler für die Ampere auf voll. Nun muss nur noch der Poti mithilfe eines kleinen Kreuzschraubenziehers feinfühlig gedreht werden bis die Ampere-Anzeige sich am Labornetzgerät auf 0,34 Ampere bei laufenden Motor einpendelt.

Ohne Labornetzgerät wird ein Voltmeter benötigt. Damit wird die Spannung zwischen eines der GND-Pins des Ardunio und der Oberfläche des Potis gemessen. Dazu wird die Masse-Leitung des Voltmeters an einen GND-Pin und die Plus-Leitung an dem Schraubenzieher geklemmt. Nun muss der Poti nur noch mit diesem Schraubenzieher so justiert werden, bis am Voltmeter eine Spannung von 1,5 Volt angezeigt wird.

In beiden Fällen sollte der Motor nun schnurren wie eine Katze, reichlich Kraft haben und sich max. auf ca. 40°Celsius erwärmen.

Da die Verdrahtung recht empfindlich ist, möchte ich noch empfehlen den Arduino auf ein kleines Brettchen zu schrauben und das Breadboard daneben darauf zu kleben. Das Breadboard hat dazu auf der Unterseite ein Doppelklebeband. Vier Gummifüße an den Ecken der Brettchenunterseite macht die Sache komplett. Ideal wäre natürlich das Löten der Schaltung auf zumindest einer Lochrasterplatine.

Ich denke für den Anfang reicht es erst einmal. In Kürze folgt eine Fortsetzung welche sich noch mit dem Hinzufügen eines Optokopplers, zur Fernauslösung einer Kamera, und einer Software zu Steuerung des Ganzen beschäftigen wird. Damit dann auch wirklich Selbstbauprojekte wie mein neuer Makroschlitten sinnvoll genutzt werden können.

Hier geht es weiter zu der Fortsetzung

Viele Grüße,
Johannes

PS: Natürlich kann ich für eventuell entstehende Schäden nicht aufkommen. Wer dieser Anleitung folgt ist selbst verantwortlich für sein tun. Ich kann nur sagen, diese Anleitung habe ich nach besten Wissen und Gewissen geschrieben. Bei mir funktioniert es so, sollte sich kein Tippfehler in dieser Anleitung eingeschlichen haben, so müsste es bei genauer Befolgung eigentlich auch bei auch so sein.

Hallo,

das mit den Bildern tut mir leid. Bei mir wurden sie angezeigt, wahrscheinlich weil sie noch im Cache waren. Ich kann mir nur vorstellen, dass es mit der Vorschau zusammenhängt. Betätigte ich diese nämlich, waren plötzlich alle Dateianhänge verschwunden welche ich zuvor beim erstellen des Beitrags hochgeladen hatte. Angezeigt wurden sie trotzdem und dachte es ging so in Ordnung. Ein Fall für den Bugtracker, oder Bedienungsfehler meinerseits? Ich meine nun alle fehlenden Bilder nochmal eingefügt zu haben und es sollten jetzt insgesamt 8 Bilder zu sehen sein. Falls nicht, bitte noch einmal Bescheid geben.

Ansonsten bedanke ich mich herzlich für euer Lob und würde mich wirklich darüber freuen wenn es jemand versuchen würde. Zwar mag der Aufwand ein wenig abschreckend sein, aber die Teileliste ist eigentlich eine gute kleine Basis für andere Spielereien mit dem Arduino. Insgesamt findet sich wohl inzwischen für für fast alles irgendeine Anwendung für dieses Ding im Internet.

Viele Grüße,
Johannes

Hallo carypt,

eine gute Frage. Die Microsteps werden erreicht indem der Treiber eine PWM in sehr feiner Auflösung erzeugt, dieses bleibt nicht ohne Folgen. Wenn es blöd hergeht fangt der Motor bei bestimmten Stellungen an so zu vibrieren, das Geräusche entstehen. Bei gut justierten Treibern ein ganz leises Rauschen wenn man das Ohr auf den Motor legt, bei schlecht justierten piepst es auch so gut hörbar.Die Vollschritte mögen von daher stabiler sein, vorausgesetzt die Stromversorgung ist sehr gut geglättet. Ob es eine Relevanz hat ? Beim Stacking vermutlich nicht Ein gewaltiger Vorteil dieser vorgestellten Methode ist jedoch, es ist einfach auf Vollschrittmodus zu wechseln.
Im Programm die Zeilen
digitalWrite(MS1, HIGH);
digitalWrite(MS2, HIGH);
digitalWrite(MS3, HIGH);
einfach ändern auf
digitalWrite(MS1, LOW);
digitalWrite(MS2, LOW);
digitalWrite(MS3, LOW);
schon hast du Vollschritte.
Nach dieser Tabelle geht dann auch noch alles andere dazwischen.

Eine Flexibilität welche mit Übersetzungen nicht vergleichbar ist.

Hallo Bernd,
stimmt, der Beitrag kam nicht so ganz aus der Hüfte geschossen wie sonst. Liegt auch daran, weil ich ihn schon seit langem geplant hatte und im Urlaub bin. Der andere Grund ist, die Komplexität des Ganzen, schließlich soll es am ende auch funktionieren. Ich habe schon genug Spam im E-Mail Ordner, da brauche ich keine Beschwerdebriefe dazu.

Hallo Alfons,
danke für die Bestätigung.

Viele Grüße,
Johannes

Hallo Andy,

gern geschehen! Ich hoffe du siehst dann morgen, oder übermorgen auch bei der Fortsetzung rein.

Viele Grüße,
Johannes