Ansteuerung von Schrittmotoren

[Geistesblitz]

Eigentlich gibt es heutzutage auch schon viele Schrittmotortreiber, die komplett integriert sind, sodass man sich eine extra H-Brücke sparen kann. Außerdem ist es eigentlich immer praktischer, mehrere Einzelachssteuerungen zu verwenden, denn wenn doch mal eine ausfallen sollte kann man die einfach tauschen. Ich würd mir übrigens was mit Mikroschrittbetrieb suchen, das können eigentlich viele Steuerungen und die Laufruhe und Auflösung verbessern sich schon enorm dabei, vor allem bei geringeren Geschwindigkeiten. Werden die Drehgelenke eigentlich noch mit Getriebe untersetzt? Wenn das Gerät nicht nur hin- und herfährt, sondern auch Lenkbewegungen macht (zB. im Bogen fahren), brauchst du definitiv auch einzelne Karten für die Antriebe, da die innenliegenden Räder dann langsamer fahren müssen.

[sonex3]

@Joe, danke erstmal. Werd mal schauen was ich da in Erfahrung bringen kann. Melde mich dann nochmal.

@Lop, ja wir bauen die selbst. Ist momentan noch in der Konstruktionsphase sodass ich noch nicht viel dazu sagen kann, außer dass wir halt vier Fahr-Dreh-Module bauen wollen bei denen die Motoren unbeweglich sein sollen. Wenn ich ein bisschen mit meinem CAD-Programm "rumgespielt" habe, kann ich gerne mal ein kleines Update mit genaueren Infos dazu bringen. Das ganze soll halbwegs günstig sein und zu Beginn erstmal nur ganz einfache Bewegungen vollführen. Mit der Zeit soll das ganze dann verbessert werden und vor allem auch komplexere Bewegungen machen können.

@Geistesblitz, die Drehung der Räder um ihre Hochachse wird mit einem kleinen Getriebe untersetzt, ja. Das Übersetzungsverhältnis steht noch nicht fest, da müssen wir schauen, wieviel Platz uns zur Verfügung stehen wird. Auch dann kann erst der Motor entgültig ausgewählt werden. Die Drehung der Räder für die Fortbewegung soll vorerst ohne Untersetzung erfolgen. Ein kleines Winkelgetriebe in Form von zwei Kegelräder wird aber dennoch benötigt, da der Antriebsmotor nicht auf einer Achse mit dem Rad sein kann. Wobei an dieser Stelle dann natürlich auch problemlos untersetzt werden kann, müssen wir mal schauen.
Stimmt, bei Kurvenfahrten müssen die innenliegenden Räder natürlich langsamer sein. Hab da garnicht dran gedacht


Mal so ne andere Frage, habt ihr Tipps bezüglich empfehlenswerter Verkaufsseiten für Schrittmotoren? Bisher gefällt mir die Seite von nanotec ganz gut, ne Menge Motoren im Angebot mit reichlich Informationen dazu. Aber vielleicht gibts ja "bessere" Anlaufstellen?


Gruß, David

[i_make_it]

Wenn die 4 Lenkmotoren einzeln ansteuerbar sein müssen, dann sollten dies auch die 4 Fahrmotoren.
Denn bis auf den Fall drehen auf der Stelle haben die Räder immer unterschiedliche Abstände vom Kurvenmittelpunkt und somit unterschiedliche Drehzahlen (Proportional entsprechend Strahlensatz)
Schrittmotoren sind ziemlich ungünstig, da es bei Schrittverlusten zu Problemen kommt.
Einen Schrittmotor steuert man an und bekommt keine Rückmeldung ob er das auch macht was er soll.
Mit einem Drehgeber bekommt man eine sensorische Rückmeldung und kann so nachregeln, das die Motoren das machen was sie sollen. Und wenn es das runterregeln aller anderen Motoren ist wenn einer (weshalb auch immer) am Limit ist bzw. sich ein Rad wo verhakt hat und nicht mehr weiter kommt. Eine Steuerkette kann das nicht erfassen und nicht reagieren. Das führt dann im Extremfall zum Totalverlust.
Einfache inkremental Drehgeber reichen. Bei den Lenkmotoren muß es halt jeweils noch eine Referenzmarke geben. Bei dem Aufbau sollte man auch von vorneherein an Schleifringe denken, sonst reißt man sich mal schnell alle Kabel zum Fahrmotor ab. Alternativ muß man auf 360° beschränken oder eine eigene Mimik aufbauen die Drehwinkel von über 360° mitzählt (und den Zählwert selbst bei einem µC Reset behält) und natürlich eine Steuerlogik die bei Erreichen einer Endlage die Antriebe anhält und ein Rückdrehen der Lenkachse in Mittelstellung durchführt bevor man das eigentliche Fahrprogramm wieder aufnimmt.

Will man selbst Schleifringe herstellen um Geld zu sparen, im Baumarkt mal bei den Kupfer Heizungsrohren und den Kunststoff Elektrorohren suchen.
Kupferrohr etwas größer als Kunststoffrohr und dann 4mm Ringe abschneiden (Rohrschneider) Etwas Hartholz und eine Holzschraube mit Zylinderschaft und und Sechskantkopf. Sowie Rohrschellen. Holzschraube in einen Hozblock drehen, nochmal Rausdrehen und 2 Komponentenkleber ins Loch, dann wieder reindrehen. Wenn die Spitze der Schraube auf der anderen Seite rausragt, absägen und den Schraubenkopf so absägen das etwa 4cm Schaft stehen bleiben. Bohrmachine in eine Tischkantenbefestigung oder besser so eine kleine Drechselvorrichtung (meine ist ein Aluprofil mit einem Ständer für den Reitstock, einem mit 43mm Aufnahme für die Bohrmaschine und einer Werkzeufauflage, aus dem Baumarkt) Zylindrich drechseln, etwa 5mm größer als der Kupferring. und vorne ene 45 Fase die etwas kleiner als der Ring wird. Die Fase mit 2 Komponentenkleber einstreichen und das nach dem trocknen glattschleifen. jetzt kann man den Kupferring zwichen dem Hartholz und dem Reitstock (ggf. eine Hartholzplatte dazwichen) aufbördeln. Da macht man etwa 1,5mm dan ndreht man rum. und macht es von der anderen Seite. Ergebniss ist ein Kupferring der von Außen einen U Querschnitt hat. Davon macht man sich so viele wie man für einen Schleifring braucht. An jeden Ring wird ein Kabel als Anschluß gelötet und dann das U mit Fett oder Wachs gefüllt (Die Außenseite des U also beide Stirnseite und der Innedurchmesser müssen metallisch blank sein und können angeraut werden. Mit einem 3-5mm dickem Alustück und etwas Badezimmer silikon macht man sich ein Form um einen Kunststoffstab aus Stabelit Express zu gießen. Den zersägt man in lauter kleine Stücke, die alle gleich dick sind (Breite des Alus 3-5mm) der erste Ring kommt auf das Kunststoffrohr und wird an drei Stellen mit dünnem Draht konzentrich zum Rohr ausgerichtet. dann werden drei der Stabelitstücke je um 120° Versetzt auf die eine Seite des rings gekelbt. der zweite Rinig wird aufgeschoben. Und zwar so das der Anschlußdraht des ersten Ringes zwichen Rohr und Ring durchgeht.
Der Ring wird mit den 3 Stabelitstücken verklebt. Das wiederholt man bis alle Ringe montiert sind. Dann nimmt man 3 Stücke Elektrodraht 1,5²mm und klebt sie mit je 2 Tropfen Superkleber axial und mit 120° Teilung auf.
Ein Stück Papier stramm rumwicken und zukleben.
Jetzt hat man: innen das Plastikrohr, darauf die Kupferringe mit ihren Abstandshaltern und darauf die Drähte und die Papierhülse die ein Poligon ergibt. Jetzt stellt man das ganze Hochkant auf eine dünne Schicht Kinderknete (der erste Ring sollte gut5mm Abstand zur Knete haben) So das alle Kabel nach oben zeigen. Jetzt kann man eine erste Lage mit einem Dünnflüssigen 2 Komponentenkleber gießen (Der muß natürlich im festen Zustand nichtleitend sein. durch die 1,5²mm Drähte gibt es ja 2 Stellen wo das Gießharz bis unten fließen kann. Wenn die erste Schicht fest ist, kann man den Rest komplett voll gießen. Macht man das auf einmal wird derDruck des flüssigen Harzes so groß sein, das unten alles rausläuft. Ist alle trocken zieht man die drei Kabel 1,5²mm raus und feilt schon mal das überstehende Plastik etwas weg. Dann kommt die Drechselbank zum Einsatz und man drechselt mit einer Feile alles runf bis die Ringe an der Oberfläche sind.
Jetzt da Fett/Wachs aus den Ringen entfernen und noch mal mit feinem Schleifpapier drübergehen. Man hat sich das Innenteil eines Schleifringes gebaut.
Für das außenteil nimmt man am besten Federbronze Draht aus dem Modellbau Bereich, (Gibt es vermutlich auch noch für Modelbahn Fahrdrähte. Harter Messingdraht ist nicht so gut, geht aber auch. Für jeden Schleifring stellt man 2 Sätze Abnehmer her, die sich in montierten Zustand gegenüber liegen.
Ein Streifen GFK Platine ca. 15mm Breit und passend zum Abstand der Ringe je zwei Löcher, so das grade so der Abnehmer Draht durchgeht. Der Draht wird einmal um die Spitze einer kleinen Rundzange zu einem Omega gebogen und passend zum Abstand der Löcher Abgewinkelt (so wie zum Montieren von bedrahteten Bauteilen wie Wiederstände, Dioden etc.)nach dem durchstecken werden die Enden 90 umgebigen und etwa 2mm weiter wieder 45° zurück. ab dem Punkt wo die Schleifer auf den Ringen aufliegen, werden diese nach außen gebogen (Damit sie sich beim drehen nicht verhaken können und dann abgelängt.
Mit etwas Übung kann man sich verschiedenste Schleifringe selbst bauen. Als Gießharz kann man sich auch Elektronik Vergußharz holen.

Professionel sieht das dann etwa so aus:

[sonex3]

Also an sich hatten wir vor gehabt, dass beide Motoren starr sind, sodass der Antriebsmotor bei der Drehung für die Lenkung nicht mitgedreht wird. Mit unserem ursprünglichen Konzept wäre das auch möglich gewesen, jedoch baut dies ganz schön in die Höhe und die Lagerung der einzelnen bewegten Teile ist dann doch recht aufwendig und letztlich kostenintensiv. Da wird wohl, wie i_make_it schon angesprochen hat, die Nutzung von Schleifringen die einfachere Methode sein, sodass bei der Lenkung der Antriebsmotor mit gedreht wird.

Vielen Dank hierfür auch für deine Selbstbauanleitung, dein Endergebnis kann sich sehen lassen Allerdings ists dann doch recht viel Aufwand, die ganzen Materialien stehen mir/uns nicht wirklich zur Verfügung, sodass sie auch erstmal alle gekauft werden müssten und mein Basteldrang ist dafür nicht groß genug ^^ Da ists dann doch bequemer die Dinger fertig zu kaufen, auch wenn die recht teuer sind. Habe bisher nur welche für 70-85€ (z.B. bei mv-technik.de) gefunden. Da würden wir aber immernoch günstiger kommen als mit dem ursprünglichen Konzept dass beide Motoren starr befestigt sind, da einige Lager und ein Kegelradsatz eingespart werden und die gesamte Konstruktion einfacher werden müsste.


@i_make_it, ich dachte das mit dem Schrittverlust ist nur ein Problem, wenn das notwendige Drehmoment größer ist, als das, das der Schrittmotor aufbringen kann? Sodass wenn der Schrittmotor ausreichend dimensioniert ist, es diesbezüglich keine Probleme gibt? So hatte ich es zumindest gelesen. Oder ist das falsch?


Gruß, David

[Geistesblitz]

So ist es, allerdings kann es ja immer mal vorkommen, dass unvorhergesehen Betriebszustände auftreten (Rad eckt irgendwo an und lässt sich nicht mehr richtig drehen zB.).
Bei einer solchen Anordnung ist es auch sinnvoll, wenn die Aufstandsfläche der Räder genau mittig auf der Drehachse der Drehgelenke liegt, da dann die Räder sich beim Lenken nicht mitdrehen müssen und auch das Drehmoment für die Lenkung recht klein gehalten werden dürfte. Die Schrittmotoren für den Antrieb könnte man oberhalb der Räder anbringen und dann mittels Zahnriemen ankoppeln, damit die nicht zu sehr im Weg sind. Für die Lenkung könnte ich mir auch Schneckengetriebe vorstellen, da diese selbsthemmend sind, sprich irgendwelche Drehmomente von den Rädern kommen (irgendwas drückt seitlich gegen das Rad zB.) können dann nicht zu Schrittverlusten führen.

Schleifringe soll es einige günstige Varianten bei Ali-Express geben, mehr kann ich dazu aber auch nicht sagen.

[i_make_it]

Das Bild zeigt nicht das Ergebniss eines solchen Selbstbaus sondern eines Schleifrings der als Sonderlösung käuflich zu erwerben ist. Da ist die Herstellung etwas anders.
Es wird ein Messingrohr von innen eingestochen bis über den späteren Außendurchmesser hinaus, dann werden die Kabel angelötet, ein Kern eingesetzt und vergossen.
Danach wird außen überdreht, bis nur noch die Ringe stehen bleiben und diese von Außen eingestochen, damit die Schleifkontakte geführt werden. Da sowas Zugriff auf eine Leit- und Zugspindel Drehmachine und die passenden Halbzeuge erfordert, habe ich mir mal die Baumarkt Methode ausgedacht und ausprobiert.

[sonex3]

So, also ich hab versucht mich ein bisschen in die Thematik einzulesen, aber so richtig warm geworden bin ich damit noch nicht so ganz.
Naja, hier erstmal das was ich zum jetzigen Zeitpunkt sagen kann:

Es sollen 8 Schrittmotoren angesteuert werden. Jeweils zwei werden in ein Fahr-Dreh-Modul eingebaut und kümmern sich um die Drehung bzw. Lenkung der Räder. Nach einigen Berechnungen bzgl. des Drehmomentes, das die Motoren aufbringen müssen, habe ich nun folgende Schrittmotoren ausgewählt:
Fahrmotor: Nanotec ST5918X2008 (zweiter von oben), Datenblatt
Lenkmotor: Nanotec ST3518M1004 (mittlerer), Datenblatt

Da der Fahrmotor sich bei der Lenkung mitdrehen wird, werden seine Zuleitungen durch diesen 12-Pol Schleifring geführt. Bei diesem können jedoch nur 2A pro Leitung übertragen werden, weshalb der Fahrmotor auch nur mit den 1,41A/Wicklung gespeist werden kann (bei diesem Motor wäre laut Hersteller auch 2,12A/Wicklung möglich für mehr Drehmoment in höheren Drehzahlen). Da die Motoren bei paralleler Ansteuerung die doppelte Stromstärke benötigen müsste hier die serielle Ansteuerung erfolgen, sofern ich das dem Datenblatt vom größeren Motor richtig entnehme.
Beide Motoren sollen zudem mit 48V laufen. Der Transportwagen, in dem die Fahr-Dreh-Module später eingebaut werden wird eine 50V Spannungsquelle haben.

Der Fahrmotor muss sich mit bis zu ca. 290 U/min drehen und der Lenkmotor mit maximal 1200U/min.
Der Lenkmotor soll mit dem Encoder WEDL5541-B ausgestattet werden und wird mittels einem inudktiven Näherungsschalter referenziert. Ich hatte dabei an diesen Schalter gedacht. Der Fahrmotor soll zunächst ohne Encoder arbeiten. Das Fahr-Dreh-Modul wird aber für den Anbau eines Encoders für den Fahrmotor vorbereitet sein, sodass er leicht nachzurüsten wäre. Erst wenn sich rausstellt, dass ein Encoder an dieser Stelle wirklich nötig ist, soll er gekauft werden (aus Kostengründen).


Die von Nanotec angebotenen Schrittmotorsteuerungen sind preislich doch etwas heftig in Anbetracht dessen, dass acht von ihnen benötigt werden. Vom Preis her wären diese Leadshine M542 noch machbar (8 Stück für rund 440€). Aber ob die von mir ausgesuchten Motoren mit diesen Steuerungen kompatibel sind weiß ich nicht, da seid ihr gefragt Eigenbau kommt eher nicht in Frage, da fehlen Lötkenntnisse, Ausstattung und Lust xD (einfache Lötarbeiten kriege ich aber grundsätzlich schon hin)
Wären diese Steuerungen für mein Vorhaben geeignet?


Die Bedienung des ganzen soll von einem Computer aus erfolgen. Für erste Testzwecke reicht es, wenn man die Motoren "per Hand" steuert, also z.B. sagt drehe dich mit der Geschwindigkeit so und so viele Umdrehungen oder so ähnlich. Später soll es aber so sein, dass man der gesamten Einheit, also allen vier Fahr-Dreh-Modulen, sagt bewegt euch von der jetzigen Postion aus nach dort und dort oder fahre eine vorgegebene Route entlang. Soll halt recht simpel anfangen und mit der Zeit verfeinert werden für komplexere Bewegungen.

So, dann würde ja nun noch die Verbindung zwischen Computer und den Schrittmotorsteuerungen fehlen, richtig? Womit wäre das am besten zu realisieren? Ein Mikrocontroller? Habe diesbezüglich noch nicht viel in Erfahrung bringen können Das zusätzliche Problem ist zudem, dass die Informationsübertragung zwischen PC und dem Wagen kabellos erfolgen muss, da der Wagen ferngesteuert werden soll. Gibt es da irgendwelche Empfehlungen, Tipps, Ratschläge oder ähnliches?


Ansonsten würde ich mich über allgemeine Anregungen und Tipps freuen


Gruß, David

[Geistesblitz]

Die Leadshine-Steuerungen sehen doch ganz passabel aus. Spannung und Strom scheinen ja zu stimmen, und Microstepping lässt sich auch gut einstellen.

Wegen dem Strom durch den Schleifring: du hast doch eh 12 Adern, da kannst du doch einfach für jede Phase 3 Adern zusammenlegen, dann kannst du bis zu 6A übertragen.

Ansteuerung über Parallelport sollte gut möglich sein, wenn es später über Funk gehen soll wirds aber wahrscheinlich auf (mindestens) einen Mikrocontroller hinauslaufen. Stell dich aber schonmal ein, dass es schwierig werden könnte, 8 Schrittmotoren gleichzeitig drehen zu lassen. Oder gehen auch jeweils nur vier gleichzeitig? (also zB. nur alle Lenkmotoren oder nur alle Fahrmotoren).