Schrittmotor mit Joystick ansteuern

[Unregistriert]

Guten Tag an alle!

Zunächst möchte ich vorausschicken - ich bin was Elektronik anbelangt, (gegenwärtig noch) ein vollkommener Laie und hoffe deshalb, hier in diesem Forum Hilfe zu bekommen.
Mein Problem ist folgendes:
Ich muss eine Last (max. 100 N) an einer Z-Achse (Profilschienenführung) möglichst feinfühlig auf- und abbewegen. Der Antrieb soll über eine Trapezgewindespindel (16x2) und Schrittmotor erfolgen.

Folgende Anforderungen müssen erfüllt werden, bzw. folgende Voraussetzungen sind gegeben:

1. Betriebsspannung 24 V
2. Erforderliches Drehmoment (laut Igus-Onlinerechner): 0,34 Nm. Inwieweit hier schon ein Sicherheitsfaktor eingerechnet ist, kann ich allerdings nicht sagen. Ich kalkuliere lieber auf solider Basis.
3. Trapezgewindespindel 16x2mm (selbsthemmend) eine zusätzliche Sicherheitsbremse durch den Motor ist beruhigend.

4. Bauraum für NEMA17-Motor ist vorhanden, Länge kann auch 80-100 mm sein. Größere Motorquerschnitte sind jedoch nicht möglich.
5. Betrieb des Motors unabhängig von einem Computer muss möglich sein.
6. Steuerung sollte über Joystick erfolgen, sollte dies nicht möglich sein, ist auch ein elektronisches Handrad denkbar.

7. Maximale Drehzahl des Motors: ca. 200 U/min. Wichtig beim Betrieb ist der Drehzahlbereich von 0-10 U/min (feinfühlig!!!)
8. Diese - feinfühlige - Drehzahlregelung sollte, wenn es irgendwie möglich ist, möglich sein, auch wenn kein Getriebe vorgeschaltet ist.
9. Die Programmierung des Motors bzw. der Steuerung über einen Computer ist möglich, eine Software dazu ist aber gegenwärtig nicht vorhanden. Der Betrieb muss aber unabhängig von einem Computer möglich sein.

Meine Fragen:

Welche Bauteile brauche ich dazu, gibt es einzelne fertige Komponenten, sodass diese nur noch zusammengesteckt werden müssen?
Ich habe verschiedentlich schon gelesen, dass bei den Linearachsen Endschalter eingebaut werden. Sind diese unbedingt in meinem Fall (geringer und langsamer Vorschub) unbedingt erforderlich, oder sind diese nur ein zusätzliches Sicherheitsinstrument, auf das ich auch verzichten kann?

Sind meine Vorstellungen überhaupt möglich oder welche Alternativen muss ich ins Auge fassen?
Welche Anbieter (Motor und Steuerung) sind zu empfehlen?

Mit welchem finanziellen Aufwand muss ich rechnen?
Gibt es Firmen, die solche Antriebe und Steuerungen (Einzelstück) betriebsfertig zu vertretbaren Kosten zusammenstellen können?

Vielen Dank im Voraus für Eure Antworten.

Schöne Grüße


Franz

[i_make_it]

Nur mal als Frage, Schrittmotor und Drehzahlregleung, wie willst Du das realisieren?
Regelung = Istwert Rückführung auf den Regler, Verrechnung mit Sollwert, anpassung des Steuerwerts.
Steuerung = Sollwert umrechung in Steuerwert, durchreichen an Aktor.
Mal ganz vereinfacht.

[Unregistriert]

Nur mal als Frage, Schrittmotor und Drehzahlregleung, wie willst Du das realisieren?
Regelung = Istwert Rückführung auf denn Regler, Verrechnung mit Sollwert, anpassung des Steuerwerts.
Steuerung = Sollwert umrechung in Steuerwert, Durchreichen an Aktor.
Mal ganz vereinfacht.

Danke für die schnelle Reaktion, aber diese Beschreibung ist für mich leider ein Buch mit sieben Siegeln. Ich weiß, dass es unter Fachleuten einen Unterschied zwischen Steuerung und Regelung gibt. Als Endanwender, der gezwungen ist, für sein Vorhaben eine Eigenlösung zu entwickeln, interessiert mich eigentlich nur das Ergebnis, um damit vernünftig arbeiten zu können, und der vorteilhafteste Weg dorthin zu gelangen.

Bei der Last geht es um eine Kamera, die senkrecht bewegt werden soll. Ich muss dabei langsam in den Schärfenbereich einfahren können. Der umfasst aber nur etwa 1/10 mm. Die Auflösung, mit der ich die Kamera bewegen können muss muss also einen kleinen Bruchteil davon sein.
Ich hatte ursprünglich vorgesehen, das rein mechanisch zu bewerkstelligen. Das ist bei einer Spindelsteigung von 2 mm kein Problem. Aber ich stoße beim Handling an die Grenzen. Der konstruktive Aufwand dafür ist sehr viel höher, als wenn ich die Höhenverstellung motorisch mache.

Im Grunde habe ich immer den Trafo einer Modelleisenbahn im Hinterkopf, wenn ich an die Steuerung denke. Da drehte man (zumindest früher war das so) an einem Knopf, dann fuhr der Zug vorwärts. Drehte man in die andere Richtung, fuhr der Zug rückwärts. Je weiter man in eine Richtung drehte, desto schneller fuhr der Zug. So einfach stelle ich mir das vor.

Diese Funktionsweise sollte doch auch auf einen Motor anwendbar sein, der meine Spindel antreibt, denke ich. Statt des Trafo-Drehknopfs kommt ein Joystick zum Einsatz. Hebel nach vorne bewegt die Last nach oben, Hebel nach hinten bewegt die Last nach unten. Die Geschwindigkeit wird dabei von der Auslenkung des Joysticks bestimmt.

Von Schrittmotoren weiß ich, dass sich diese in Einzelschritten bewegen uns so auch geringste Bewegungen möglich sind. 200 Schritte ergeben beispielsweise 1 Umdrehung. Damit lässt sich die Bewegung auch im untersten Drehzahlbereich hervorragend dosieren.
Von Schrittmotoren weiß ich aber auch, dass diese zum Teil extreme Drehzahlen erbringen. Das kann ich nicht gebrauchen. Die Höhenverstellung soll ja langsam erfolgen. Deshalb möchte ich, bei äußerster Auslenkung des Joysticks die Drehzahl auf etwa 200 U/min oder vielleicht sogar weniger begrenzen. Das ist schon mehr als genug. Denn im Regelfall wird die Kamera nur wenige Millimeter bewegt.

Was ich nicht weiß ist, wie ich den Motor dazu bringe, das zu tun, was ich will und oben beschrieben habe.

Alles was ich bisher gefunden habe, sind Steuerungen, die für meine Anwendung völlig überdimensioniert sind und normalerweise in CNC-(Selbstbau-)Fräsen eingesetzt werden. Daneben gibt es ins Vielzahl von Einzelbauteilen, deren Eignung ich allerdings nicht einschätzen kann, weil mir das nötige Fachwissen fehlt. Genau für dieses Problem suche eine Lösung.
Entweder ein Fertigteil oder eine Zusammenstellung der einzelnen Baugruppen.

Ein schönes Wochenende wünscht


Franz

[Asko]

ZB. sowas hier:
http://www.mino-elektronik.de/bilder/stepper_1x/stepper_1x.png

Der Poti ist dann Dein Joystick.

Gruss Asko

[i_make_it]

Man kann das so einfach machen.

Ein Poti an einem Analogeingang eines Controllers als variabler Spannungsteiler für 5V
0V sind dann maximal in die eine Richtung und 5V maximal in die andere.
damit das mit dem Stillstand nicht so schwierig wird, legt man z.B. einen Bereich von 2,4V bis 2,6V fest in dem Stillstand herrschen soll.
0,0V = 0
2,4V = 123
2,6V = 133
5,0V = 255

Damit kann man im Programm eine Abfrage machen für alle drei Bereiche
im mittleren Bereich wird das "enable" Signal für den Schrittmotortreiber ausgeschaltet.
Für die beiden anderen Bereiche wird zum einen das "direction" Signal für den Schrittmotortreiber entsprechend auf 1 oder 0 gesetzt und zum anderen nimmt man den Analogwert für die Geschwindigkeitsvorgabe.
speedpositiv = analogwert - 133
speednegativ = (analogwertwert - 122) *(-1)

Eingangswert minus Maximalwert bewirkt, das der kleinste positve Wert zum größten negatven Wert wird.
Mal minus eins bewirkt eine Vorzeichenumkehr so das Betrag und Vorzeichen wieder passend für die Weiterverarbeitung sind.
Da der Eingangswert mit 0 beginnt, zieht man 1 weniger als den Maximalwert ab um beim Ergebniss mit 1 anzufangen.

Mit dem Speedwert legt man dann die Frequenz eines PWM Signals fest, daß das "step" Signal des Schrittmototreibers versorgt.

Der bereinigte Speedwert geht dann von 1 bis 123.
Mit wert * 5 - 4 könnte man im Vollschritt dann von 1Hz = 1 Schritt pro Sekunde bis 611Hz linear einstellen.
Das wären dann 183,3 U/min.
Also nicht ganz 200U/min

Bei einer Spindelsteigung von 2mm und 200 Schritten pro Umdrehung kommt man auf 0,01mm je Schritt.
Somit kann man innerhalb des Fokusfensters mit 9-10 Schritten optimieren.

Für Nema 17 Stepper kann man z.B.
A4988 stepper motor driver nehmen.
http://www.robotshop.com/media/files/PDF/datasheet-1182.pdf
Habe grade 4 Stück für einen 3D Drucker mit Nema 17 Steppern geholt.
Der kann von Vollschritt bis Sechzehntelschritt eingestellt werden.
Sollte aber einen Kühlkörper spendiert bekommen.

Will man noch feinfühliger werden, kann man noch 3 Taster und eine LED vorsehen.
Mit einem Taster aktiviert man einen Mikroschrittmodus, der durch die LED angezeigt wird.
Bei dem Modul von oben könnte man die Eingänge MS1 bis MS3 durch Controller Ausgänge zwichen High und Low schalten.
Wählt man zum Beispiel Viertelschritt, zieht man MS2 auf High (ein Digitalausgang) und macht so aus 10 Schritten im Fokusbereich 40 Schritte.
mit den beiden anderen Tastern kann man dann mit jedem Tastendruck je ein Step Signal für die eine oder andere Richtung generieren (direction und enable müssen dann programmtechnisch auch immer kurz gesetzt werden).
Mit diesem Tipbetrieb bekommt man dann eine ziemlich feinfühlige Steuerung hin.


Bei Steuern versus Regeln, kann man sich für den Anfang erst mal merken "Steuerkette" (Einbahnstraße) und "Regelkreis" (es kommen Informationen zurück die wiederum in die Entscheidungen einfließen.

Das ist wie wenn man beim Autofahren die Augen schließt (Steuerkette bei Lenkung und Gas)
Oder je nach dem was man sieht und hört ausweicht, bremst oder Gas gibt (Regelkreis durch Rückandwort der Sensoren Augen und Ohren)

https://i.ytimg.com/vi/FDIchWfZL28/maxresdefault.jpg

[Unregistriert]

ZB. sowas hier:
http://www.mino-elektronik.de/bilder/stepper_1x/stepper_1x.png

Der Poti ist dann Dein Joystick.

Gruss Asko

Oder auch für 2 Stepper
http://mino-elektronik.de/Generator/takte_impulse.htm#bsp3a

[Unregistriert]

Eine zusätzliche Sicherheitsbremse (http://www.mayr.com/de) solltest du nach meiner Meinung unbedingt einbauen. Das würde ich an deiner Stelle auch sehr beruhigend finden! ;) Was die Finanzen angeht kann ich deine Frage nicht beantworten, am besten lässt du dich beraten und dir ein Angebot machen. Da gibt es ja sehr viele Firmen, die dir da weiter helfen können!