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Projekt: Drahtführung für Wickelautomat (Teil 6)

Der nächste Button hängt an Pin 8 des NANO. Er simuliert den Endanschlag an der linken und rechten Seite der Spulenbreite. Hier muss aus aktueller Sicht auch nicht zwischen links und rechts unterschieden werden, weil einfach nur ein sofortiger Stop und ein Wechsel der Bewegungsrichtung notwendig ist. Die beiden Endschalter sind also später parallel zu schalten. Zur Simulation reicht jetzt einer.

Der Button an Pin 9 setzt den Motor wie schon vorher in Gang. Der Button an Pin 8 leitet einen sofortigen Stop ein und ändert die Drehrichtung. Damit man das sieht muss die Bewegung aber mit dem „Bewegungs“-Button eingeleitet werden. Das Programm dazu:

// step and 2 buttons
// -*- mode: C++ -*-
//
// Ein Button um den Motor zu bewegen, zweiter Button um die Drehrichung zu ändern
//
// Thomas Sturm mit diversen Quellen

#include <AccelStepper.h>

// Define a stepper and the pins it will use
AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, 2, 5); // pin 2 = step, pin 5 = direction

// The button definition
const int buttonTurn = 9;     // the number of the buttonTurn pin, btn to Vcc, pin via resistor to ground
const int buttonEnd = 8;     // the number of the buttonEnd pin, btn to Vcc, pin via resistor to ground

// variables will change:
int btnTurnState = 0;         // variable for reading the pushbutton status
int btnEndState = 0;         // variable for reading the pushbutton status
int weg = 200;                // variable for Länge der Bewegung

void setup()
{
  // Anpassungen an Stepper
  stepper.setMaxSpeed(20);   // max steps per second
  stepper.setAcceleration(10);  // Beschleunigung in Steps per second per second

  // Die Pins an denen die Buttons hängen als Eingang definieren
  pinMode(buttonTurn, INPUT);     
  pinMode(buttonEnd, INPUT);     

}

void loop()
{
  // Auslesen der Button-Zustände
  btnTurnState = digitalRead(buttonTurn);
  btnEndState = digitalRead(buttonEnd);
 
  // beide Buttons auswerten

  if (btnTurnState == HIGH) {     
    stepper.move(weg);
  }

  if (btnEndState == HIGH) {
    weg = – weg;    // Drehrichtung ändern
    stepper.stop();  // sofortigen Stop einleiten, siehe AccelStepper Classes
  }

stepper.run();   // run immer ausführen um Bewegung zu vollenden, siehe AccelStepper Classes
}

Beim Ablauf des Programms gibt es jetzt aber schon ein Problem. Beim Drücken des Endstop-Buttons (Pin 8) wird zwar immer ein Stop ausgeführt. Leider scheint sich die Drehrichtung nicht immer zu ändern. Ich würde mal schätzen, dass entweder der Button prellt, oder aber die loop-Schleife während eines Buttondrucks mehrfach durchläuft. Das habe ich abgesichert. Dann stellte sich aber heraus, dass das natürlich auch für den „Bewegungs“-Button gilt, was vorher nicht auffiel. Ich habe eine neue Variable int lock (in die Variablen-Deklarationen aufnehmen !!) eingeführt und die loop folgendermaßen geändert:

void loop()
{
  // Auslesen der Button-Zustände
  btnTurnState = digitalRead(buttonTurn);
  btnEndState = digitalRead(buttonEnd);
 
  // beide Buttons auswerten

  if (btnTurnState == HIGH && stepper.distanceToGo() == 0) {     
    stepper.move(weg);
    lock–;
  }

  if (btnEndState == HIGH && lock < 1) {
    weg = – weg;    // Drehrichtung ändern
    lock = 5;        // mindestens 5 Bewegungstrigger muss gewartet werden, bis wieder ein Richtungtrigger möglich ist
    stepper.stop();  // sofortigen Stop einleiten, siehe AccelStepper Classes
  }

stepper.run();   // run immer ausführen um Bewegung zu vollenden, siehe AccelStepper Classes
}

Es steht ja schon im Kommentar: Bevor ein Stop und eine Richtungsänderung erneut möglich ist, müssen erst 5 Bewegungstrigger kommen. Nur dieser Anteil allein brachte aber nicht die notwendige Wirkung, weil eben auch der andere Button nicht kurz genug gedrückt werden kann. Also musste auch hier eine Sicherheit gegen Mehrfachbetätigung eingeführt werden. Über stepper.distanceToGo() == 0 lässt sich das einfach bewerkstelligen. Erst wenn eine Bewegung beendet ist, kann eine neue erfolgen.

Projekt: Drahtführung für Wickelautomat (Teil 5)

Ein relativ einfacher nächster Schritt:

An Pin 9 des NANO wird ein Button gegen Vcc angeschlossen.  Das ist wieder der 5V-Anschluss am NANO, den ich schon zum Treiber „FAULT“ verbunden hatte. Gleichzeitig liegt am NANO-Pin 9 über einen 10k-Widerstand GND.
Die ganzen Grundlagen zu AVR, – nichts anderes ist der Arduino -, kann man sich auf Mikrocontroller.net erarbeiten.
Das Ziel dieser Aktion ist, dass der Motor losläuft, wenn der Button gedrückt wird.  Bei mir lief das problemlos. Der Motor macht eine volle Umdrehung, da 200 relative Schritte vorgegeben sind. Drückt man nochmal, wird wieder in die gleiche Richtung gedreht.

Hier das entsprechende Programm:

// step and button
// -*- mode: C++ -*-
//
// Make a single stepper turn on button press
//
// Thomas Sturm mit diversen Quellen

#include <AccelStepper.h>

// Define a stepper and the pins it will use
AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, 2, 5); // pin 2 = step, pin 5 = direction

// The button definition
const int buttonPin = 9;     // the number of the pushbutton pin, btn to Vcc, pin via resistor to ground
// only for test purpose
const int ledPin =  13;      // the number of the LED pin onboard

// variables will change:
int buttonState = 0;         // variable for reading the pushbutton status

void setup()
{
  // Change these to suit your stepper if you want
  stepper.setMaxSpeed(10);   // max 10 steps per second
  stepper.setAcceleration(5);
  // initialize the LED pin as an output:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);      
  // initialize the pushbutton pin as an input:
  pinMode(buttonPin, INPUT);     

}

void loop()
{
  // read the state of the pushbutton value:
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  // check if the pushbutton is pressed.
  // if it is, the buttonState is HIGH:
  if (buttonState == HIGH) {     
    // turn LED on:    
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    stepper.move(200);
  }
  else {
    // turn LED off:
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }
stepper.run();   // run immer ausführen um Bewegung zu vollenden, siehe AccelStepper Classes
}

 

Der jetzt eingebaute Button ist praktisch der Umdrehungssensor an der Drahtspule. Das Signal wird am Filawinder durch einen Magneten erzeugt, der an einem Hall-Sensor vorbeiläuft. Pro Umlauf der Spule muss sich später die Drahtführung um einen Drahtdurchmesser weiterbewegen.
Ein weiterer Button wird jetzt eingefügt. Er simuliert die Endpositionen, – die linke und rechte Seite der Spule.

Meine Testkonstruktion ist auch schon fertig. Sämtliche Halter, der Reiter und die Verbindungsmuffe sind gedruckte Teile. Die Files werde ich später zur Verfügung stellen.

Drahtführung Testaufbau Antrieb und Verbindung Drahtführung Testaufbau linker Halter Drahtführung Testaufbau Reiter Drahtführung Testaufbau Gesamtansicht

Projekt: Drahtführung für Wickelautomat (Teil 4)

Das kleine Testprogramm hilft auf Dauer natürlich nicht weiter. Es war ja auch nur zum Test gedacht. Sowohl dieses kleine Testprogramm als auch die in den Arduino-Bibliotheken vorhandenen Programmmteile haben den Nachteil, dass jegliche Motorbewegungen immer das Programm solange aufhalten, bis der Motor die Zielposition erreicht hat. Da beim Wickelautomat aber andere Programmteile auch in Echtzeit laufen müssen, wäre das fatal.

Ich habe eine andere Programmbibliothek gefunden: AccelStepper

Der Vorteil dieser Bibliothek ist, dass eine Bewegung initiiert wird und bei jedem Durchlauf der loop()-Funktion ein Stück weit vorwärtsgetrieben wird. Das Programm muss also nicht an der entsprechenden Stelle warten.

Zunächst muss die neue Bibliothek in die Arduino Entwicklungsumgebung integriert werden. Dazu wird die aktuelle Version von der AccelStepper-Projektseite geladen. Der entpackte Ordner AccelStepper wird nach Arduino/libraries kopiert. Kleine Kontrolle: In diesem Ordner muss die AccelStepper.h enthalten sein.

Von den Beispielen probiere ich als Erstes „Bounce.pde“

// Bounce.pde
// -*- mode: C++ -*-
//
// Make a single stepper bounce from one limit to another
//
// Copyright (C) 2012 Mike McCauley
// $Id: Random.pde,v 1.1 2011/01/05 01:51:01 mikem Exp mikem $
#include <AccelStepper.h>
// Define a stepper and the pins it will use
AccelStepper stepper; // Defaults to AccelStepper::FULL4WIRE (4 pins) on 2, 3, 4, 5
void setup()
{
// Change these to suit your stepper if you want
stepper.setMaxSpeed(100);
stepper.setAcceleration(20);
stepper.moveTo(500);
}
void loop()
{
// If at the end of travel go to the other end
if (stepper.distanceToGo() == 0)
stepper.moveTo(-stepper.currentPosition());
stepper.run();
}

Das ist aber noch nicht ganz das, was ich brauche. Die Anschlussart passt noch nicht. Sie wird definiert über AccelStepper::
Im Beispiel wird über eine H-Bridge gearbeitet. 4 Steuerleitungen werden gebraucht. Ich arbeite aber mit einem Treiber, der nur Step und Dir kennt. Der Constructor wir also geändert in:

AccelStepper::DRIVER
… und da ich STEP auf Pin 2 und DIR auf Pin5 gelegt habe, muss auch das dem Construktor bekannt gegeben werden. Der gesamte Constructor lautet also auf:

AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, 2, 5);

„stepper“ ist übrigens ganz einfach der Name meines Motors. Alle Funktionen werden mit diesem Namen aufgerufen: stepper.xxxx();

Das ist das fertige Programm in der Entwicklungsumgebung. Erfolgreich kompiliert ist es auch schon.

Bounce

Das Programm habe ich dann übertragen und dann läuft es auch schon. Aber der Treiber wird sehr schnell heiß und nach kurzer Zeit bleibt der Motor stehen. Also Speed runter. Poti auf Treiber einstellen?

Die Referenzspannung lag tatsächlich bei 1,5V. Das ist erheblich zu viel. Nach der üblichen Formel berechnet benötige ich 0,875V. Ich habe das Poti im Uhrzeigersinn gedreht, so dass ich jetzt etwas über 0,6V habe. Jetzt scheint es zu passen. Wenn noch Last draufkommt, werde ich vielleicht höher drehen müssen. Komischerweise ist im Schaltbild von Pololu die Drehrichtung zur Reduzierung der Spannung genau andersherum ausgewiesen. Seltsam.

Ich habe auch mal den Befehl moveTo auf 200 gesetzt. Der Motor hat schließlich 200 Schritte pro Umdrehung. Erst habe ich gestaunt, dass in jedem Zyklus die Fahne 2 Runden dreht. Aber klar. Von 200 bis -200 sind es ja auch 2 volle Umdrehungen. Also passt alles.

Ich spiele jetzt noch ein wenig mit setMaxSpeed und SetAcceleration.
Der erste Wert sagt aus, wieviele Schritte pro Sekunde maximal ausgeführt werden dürfen. Der zweite Wert sagt aus wie stark die Beschleunigung sein soll in Schritten pro Sekunde².

 

 

Projekt: Drahtführung für Wickelautomat (Teil 3)

Jetzt werde ich die ersten Gehversuche mit einem Schrittmotor wagen. Ich verwende dazu den schon aus dem letzten Teil bekannten Arduino Nano, einen Treiberbaustein Pololu DRV8825 und natürlich einen Schrittmotor. Der Schrittmotor hat die Typbezeichnung 17HS5425. Wichtig ist daran eigentlich nur, dass es ein bipolarer Schrittmotor ist. Daher hat er 2 Paare Anschlussdrähte, die jeweils eine Motorwicklung ansteuern.

Die Schaltung ist eigentlich zwischen DRV8825 und dem etwas bekannteren Typ A4988 gleich. Besser gesagt, in eine Schaltung für einen A4988 kann man auch einen DRV8825 einsetzen. Andersrum ist das nicht sichergestellt. Ich verwende deshalb diese Schaltung:Pololu DRV8825 Beschaltung

In dieser Schaltung kann sowohl der A4988 als auch der DRV8825 verwendet werden, auch wenn eine Pinbezeichnung verändert ist. Beim DRV8825 gibt es einen FAULT-Eingang. Der gleiche Pin ist am A4988 mit VDD bezeichnet. Und tatsächlich wird dieser Pin auch mit der Ausgangsspannung des Nano beschaltet. Am Nano  ist das der PIN „+5V“. Der liefert beim Anschluss an USB (oder andere) Strom. Zum Vergleich die A4988-Schaltung.Pololu A4988 Beschaltung

In dieser Schaltung bleibt bei mir „logic power supply“ unbeschaltet, da ich den Nano mit USB-Strom versorge. Am Arduino Nano gibt es übrigens für GND zwei Pins, die zu verbinden sind.

Kleine Hintergrundinfo:
Am DRV8825 ist FAULT intern über einen Widerstand mit SLEEP verbunden. Somit macht dann auch die Brücke zu RESET Sinn.

VMOT und GND werden mit der Stromversorgung für den Schrittmotor versorgt. Ja, da benötigt man extra Strom. Deshalb ja auch der Treiberbaustein. Denn der stellt den Motorwicklungen gezielt Strom zur Verfügung. Die läppischen Milliampere über USB reichen da bei Weitem nicht. Die Stromversorgung sollte unbedingt mit dem 100 µF (Mikrofarad) -Elko geglättet werden. Jetzt noch den Schrittmotor selbst anschließen und die Schaltung ist fertig. Die Verbindung zum Schrittmotor sollte unbedingt sehr sicher angelegt werden. Sollte auch nur ein Pin während des Betriebs keinen Kontakt haben löst sich der Treiberbaustein per Rauchwolke in wertlosen Schrott auf.

Zuletzt darf natürlich die Datenverbindung zwischen Nano und Treiberbaustein nicht fehlen. Welche Pins am Nano genommen werden ist egal, solange es digitale Pins sind. Die analogen sollten hier nicht genommen werden. Ich habe Pin D2 und D5 genommen.

Hier (Youtube) noch ein kleines Video zur Schaltungserklärung auf dem Breadboard.

Nachdem alles verdrahtet ist, kontrolliert wurde und die 12V-Stromversorgung für den Schrittmotor eingeschaltet ist lade ich ein erstes extrem simples Testprogramm auf den Arduino Nano. Einziges Ziel ist die Funktionskontrolle der Schaltung.Stepper ansteuern

Zum leichteren Kopieren nochmal als Text …

/*
Schrittmotor
alle 200ms ein Schritt in eine Richtung.

This example code is in the public domain.
*/

void setup() { 
// setzen der Digitalpins 1 und 2 als Ausgang.
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT); 
}

void loop() {
digitalWrite(5, HIGH); // DIR an Pin D5
digitalWrite(2, HIGH); // STEP an Pin D2
delay(100); // warte eine zehntel Sekunde
digitalWrite(2, LOW); // Gnd an Pin D2
delay(100); // warte eine zehntel Sekunde
}

Das Programm habe ich vor einiger Zeit in einem Forum entdeckt und gleich kopiert. Leider finde ich die Quelle nicht wieder. Auch wenn es als PD gekennzeichnet ist: Wenn jemand die Quelle weiß, wäre ich für den Hinweis dankbar.

Wenn das Programm übertragen wurde, sollte sich der Schrittmotor im Zehntelsekundentakt in Bewegung setzen. Bei mir hat es auf Anhieb funktioniert.

Projekt: Drahtführung für Wickelautomat (Teil 1)

Aller Anfang …

Wie schon in einem früheren Artikel beschrieben, erzeuge ich mein Filament selbst. Dazu benutze ich den Filastruder. Um dann auch gleich den erzeugten Filamentdraht zu wickeln habe ich auch den Filawinder. Der ist bei mir mittlerweile schon ziemlich modifiziert, was größtenteils dem Umstand meiner großen Spulen (bis 5kg) zu verdanken ist.

Der Filawinder hat eine Vorrichtung, die den erzeugten Draht auf der Spule führen soll, so dass Wicklung neben Wicklung sauber auf die Spule kommt. Das ist mit einem Servomotor aus dem Modellbausektor umgesetzt. IMAG0049Ich denke, dass diese Lösung bei 1,75mm-Drähten auch ganz gut funktioniert. Bei meinem recht steifen 3mm-Draht und zudem meinen breiten Spulen tut sich diese Führung aber sehr schwer und schafft es nicht mehr sauber.

Mein Gedanke ist es, die Führung per Servo durch eine Führung per Schrittmotor und Gewindestange zu ersetzen. Was haben wir:

  1. Von einem Hallsensor am Spulenzahnrad kommt ein Signal pro Umdrehung der Spule.
  2. Der Durchmesser des Drahtes wird schon heute mit einem Jumper auf der Elektronik eingestellt.
  3. Der steuernde kleine Arduino kann auch noch den Schrittmotor steuern, – zumal der Servo ja wegfällt.
  4. Die Firmware der aktuellen Elektronik ist bekannt und liegt in bearbeitbarer Form vor. Servoanteil raus und Schrittmotorsteuerung rein sollte kein Thema sein.
  5. Stromversorgung ist mit 12V passend vorhanden.

Jetzt muss ich mich erstmal in das Thema reinarbeiten. Alles für erste Versuchsaufbauten ist vorhanden:

  • Platinen oder Breadboard
  • Schrittmotor NEMA17
  • Treiberbaustein Pololu DRV8825
  • Arduino
  • Stepperbibliothek habe ich gefunden: AccelStepper
  • Schaltungsentwürfe von Pololu und RAMPS 1.4
  • Draht, Kabel, Bauteile, Strom
  • Mut zum Anfang

Die Schaltungsentwürfe:
Treiberbeschaltung DRV8825-Beschaltung

Auf geht’s …

Pololu (Schrittmotortreiber) einstellen

Mal wieder ein wenig Grundlagen. Und diesmal voller Eigennutzen, denn ich brauchte die Information selbst, um etwas zu experimentieren.

Die üblichen Schrittmotortreiber im Bereich 3D-Druck kommen von der Firma Pololu. Es gibt da zum einen den A4988 und zum anderen den DRV8825. Der Letztgenannte hält höhere Ströme aus, wird zudem nicht so heiß und bietet 1/32 Mikrosteps. Bei Neubauten würde ich dazu raten.

Diese Treiberbausteine müssen eingestellt werden, denn die Bausteine und die Schrittmotoren können ja mit einem großen Spannungsbereich betrieben werden. Die Nennspannung des Schrittmotors ist eigentlich völlig uninteressant. Entscheidend ist der Strom, – zumindest, wenn man über einen Schrittmotortreiber steuert. Bei der alten Beschaltung mit H-Bridges war das anders. Aber das nur am Rande. Die Nutzung höherer Spannungen führt letztendlich dazu, dass der Motor wesentlich schneller höhere Drehmomente aufbaut. Der DRV8825 erlaubt Eingangsspannungen von 8,2V bis 45V. Üblicherweise arbeiten wir mit Schaltnetzteilen aus dem PC-Umfeld. Da sind 12Volt üblich.

Weiterer kleiner Exkurs: Neben der präzisen Einstellmöglichkeit mit Mikrosteps, die immerhin statt 200 Steps pro Umdrehung ganze 6400 Steps ermöglicht, bringen Mikrosteps noch den Vorteil des besseren Einschwingverhaltens beim Anfahren einer Position. Die Motoren sind nämlich nicht in der Lage einfach den Punkt genau anzufahren, sondern schwingen sich um den Zielpunkt ein. Die Mikrosteps reduzieren die Schwingungen erheblich.

Die einfache, aber auch völlig unpräzise Art der Einstellung will ich nicht verschweigen:
Zu wenig Strom -> Der Motor hat keine Kraft eine Position anzufahren
Zu viel Strom -> Der Motor „singt“ und wird übermäßig heiß
Diese „Methode der Einstellung“ würde ich aber nicht einmal für das schnelle Experiment vorschlagen.

Jetzt schaue ich mir mal meinen Beispiel-Schrittmotor an. Es ist ein NEMA 17HS5425:

NEMA 17HS5425 Daten

Die für uns entscheidende Formel lautet …
Vref = Imax x (5 x Rs)
Rs ist der auf der Treiberplatine verbaute Widerstand. Der ist laut Datenblatt beim DRV8825 0,1Ohm.
Im Internet findet man in den Foren die Aussage, dass die Einstellung nicht mit dem Maximalstrom sondern mit 70% davon erfolgen soll. Das wäre dann 2,5A x 0,7 = 1,75A.
Damit ergibt sich Vref = 1,75A x 5 x 0,1Ohm=0,875Volt
Wenn die vollen 2,5A gebraucht werden, bekommen wir mit dem DRV8825 übrigens schon Probleme, denn er liefert laut Datenblatt bis zu 2,2A.

Die gleiche Rechnung jetzt noch für den A4988:
Hier ist die Formel etwas anders und lautet …
Vref = Imax x (8 x Rs) mit Rs zu 0,05Ohm. Damit wäre die Referenzspannung 0,7Volt.

Die Referenzspannung kann recht leicht auf dem Motortreiber gemessen werden. Legt man vom Multimeter eine Seite einfach irgendwo auf Masse kann man am Schleifer des Potis auf dem Treiberbaustein die Spannung messen.

Zur Sicherheit noch ein paar Hinweise:
Während Strom auf dem Treiber ist, darf der Schrittmotor keinesfalls abgetrennt werden. Das ist der sichere Tod des Treibers.
Höchste Konzentration ist bei der Messung angebracht. Ein Abrutschen mit der Messspitze kann schnell einen Kurzschluss verursachen.