KHD Projekt SMOST

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| Aktuell: 11.02.2024

SchrittMOtorSTeuerung SMOST

Wer hat nicht dem ein oder anderen Schrittmotor mit mehr oder weniger Erfolg Drehbewegungen zu entlocken versucht. Dabei ist die Schrittmotor-Endstufe das kleinere Problem, es scheitert oft an einer geeigneten Ansteuerung. Die hier vorgestellte Schrittmotor-Karte "SMOST" als Erweiterung zum 80C166-Controller-Board kann bis zu vier 2-Phasen-Schrittmotoren gleichzeitig steuern. Mit der entsprechenden Software liefert das Controller-Board alle erforderlichen Impulse und reagiert auf Informationen von Tastern, Sensoren, Schnittstellen, usw.
Andere Schrittmotor-Karten mit Takt- und Richtungs-Eingang können ebenfalls angesteuert werden.
Schalt- und Bestückungspläne, Beschreibungen, etc. befinden sich auf der Download-Seite
Blockschaltbild SMOST-Board	Technische Daten SMOST-Board 4 Schrittmotor-Endstufen mit jeweils 2 bipolare Ausgangspaare, max. 0,5 A Phasenstrom Strombegrenzung in 3 Stufen oder über Potentiometer Cut-Off-Time 35 Sek, Stromabsenkung bei Stillstand Voll- und Halbschritt, Schritte über GAL veränderbar LED-Anzeigen für Takt und Richtung 12 x Optokoppler-Eingänge (26-pol. Pfosten) 4 x Nullpunktsensor, 8 x Positionssensor 2 x Serielle Schnittstelle (14-pol. Pfosten) 1 x PC-Anschluß (9600 Baud, 8 Bit, 1 Stop) 1 x Reserve (Monitor-Programm) 4 x Ein-/Ausgänge, +5V, GND (14-pol. Pfosten) Reserve 10 x Taster für manuelle Steuerung, 1 Reset-Taster 4 LED-Anzeigen für Betriebzustand 4-poliger Dip-Schalter für Programm-Einstellungen Versorgung 12 - 40 V Gleichspannung, ca. 2 A Step-Down Wandler für 5 V Versorgung, max. 1 A Erforderliche Bestückung auf dem 80C166-Board: 64 kB RAM, EPROM mit SMOST-Software, EEPROM. Die 80C166-Pinbelegung für SMOST ist in Tabelle 6.

Schrittmotor-Begriffe und -Funktionen

Zum besseren Verständnis sollten zuerst einige prinzipielle Begriffe und Funktionen des Schrittmotors und seiner Ansteuerung geklärt werden.

Ein Takt alleine bewegt noch keinen Schrittmotor. Jeder Schrittmotor benötigt eine Elektronik, die aus dem Takt einen Ablauf mit entsprechenden Strömen und Stromrichtungen (Polaritäten) generiert. Betrachten wir als Beispiel einen Schrittmotor mit zwei um 90 Grad versetzte Polwicklungen (Phasen). Werden die Phasen bestromt, entsteht ein Magnetfeld. Der Rotor bewegt sich mit seinem Magnetpolpaar in eine Position, wo zwischen Rotor und Phase der Luftspalt am kleinsten und der Magnetfluß am größten ist (zur Erinnerung: ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab). Durch Ändern der Bestromungsrichtung kann der Rotor vier verschiedene Positionen einnehmen. Polaritätsänderungen führen in einer bestimmten Reihenfolge zu einer Drehbewegung.
Nach jedem Takt müssen sich die Polaritäten ändern. Die Rotorpositionen sind in den Abbildungen dargestellt:

Bei der ersten Methode wird nur eine Phase bestromt (1 - 4):
Tabelle 1
Rechts-Drehung					Links-Drehung
Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom		Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom
1	0	1	X	0	1	0	1	X	0
2	X	0	0	1	2	X	0	1	1
3	1	1	X	0	3	1	1	X	0
4	X	0	1	1	4	X	0	0	1

Eine zweite Methode ist das Bestromen beider Phasen (1 - 4):
Tabelle 2
Rechts-Drehung					Links-Drehung
Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom		Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom
1	0	1	0	1	1	0	1	0	1
2	1	1	0	1	2	0	1	1	1
3	1	1	1	1	3	1	1	1	1
4	0	1	1	1	4	1	1	0	1

Ein Schrittmotor mit nur 4 Positionen liefert keine saubere Drehung; es sind mehr Rotorpositionen notwendig. Kombiniert man die beiden Vollschritt-Methoden, erhält man die Halbschritt-Steuerung (A - H).
Tabelle 3
Rechts-Drehung					Links-Drehung
Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom		Takt	Phase 1 Pol./Strom		Phase 2 Pol./Strom
A	0	1	X	0	A	0	1	X	0
B	0	1	0	1	B	0	1	0	1
C	X	0	0	1	C	X	0	1	1
D	1	1	0	1	D	0	1	1	1
E	1	1	X	0	E	1	1	X	0
F	1	1	1	1	F	1	1	1	1
G	X	0	1	1	G	X	0	0	1
H	0	1	1	1	H	1	1	0	1

Der Verlauf von der Start-/Stopfrequenz über die Beschleunigungsphase bis zur Hochgeschwindigkeitsphase sieht wie eine ansteigende Rampe aus und wird auch so bezeichnet. Das Anhalten des Schrittmotors erfolgt mit einer abfallenden Rampe, da der Rotor bei Abschalten der Taktfrequenz wegen seiner Masse unkontrolliert weiterlaufen würde. Informationen über die genaue Position gingen verloren.

Im Halbschritt-Betrieb besteht eine Sequenz aus 8 Takten. Auch hiermit wird der Beispiel-Motor noch "ruckeln", besonders bei kleinen Drehzahlen. Eine weitere Verbesserung ist möglich, indem die Bestromung nicht ein- und ausgeschaltet, sondern stufenweise gesenkt bzw. erhöht wird. Durch diesen Mikroschritt-Betrieb entstehen ruhige Drehbewegungen. Für einen Schrittmotor mit nur 4 Rotorpositionen ist diese Lösung allerdings nicht praktikabel; die Leistung, also das Drehmoment, nimmt stark ab und die Positionier-Genauigkeit geht verloren.
Durch mehr Polwicklungen und Rotor-Magnetpolpaare erhält man mehr Rotorpositionen. Im Allgemeinen besitzen Schrittmotoren viele Polwicklungen, die als 2 und mehr Phasen ausgeführt sind, teilweise mit Mittelanzapfung. Auf den Rotoren befinden sich mehrere Magnetpolpaare entweder auf einem Anker, der wie ein sehr breites Zahnrad ausgebildet ist, oder auf einer Scheibe. Die Anzahl der Motor-Winkelschritte kann durch langsames Drehen von Hand ermittelt werden. Es ist ein mehr oder weniger starkes "Einrasten" zu spüren.
In alten Festplattenlaufwerken befinden sich für die präzise Kopfpositionierung Schrittmotoren mit 200 und mehr (mechanischen) Winkelschritten. Dazu 3 Berechnungen:
- Schrittwinkel = 360 Grad / 200 Winkelschritte = 1,8 Grad
- Vollschritt = 200 Winkelschritte x 4 Takte = 800 Takte
- Halbschritt = 200 Winkelschritte x 8 Takte = 1600 Takte
Da ein Schrittmotor mit 2 Phasen und 1 Magnetpolpaar im Halbschritt 8 Takte pro Umdrehung benötigt und der Festplatten-Schrittmotor 1600 Takte, erhalten wir über die Taktfrequenz keine Aussage zur Drehzahl, jedoch einen Anhaltspunkt für die Positioniergenauigkeit.
Ist eine hohe Drehzahl gefordert, sollte ein Schrittmotor mit gröberen Winkelschritten eingesetzt werden.

Bei Einschalten einer Taktfrequenz von 10.000 Hz dreht sich ein Schrittmotor nicht. Der Rotor ist zu träge, um dem schnell rotierenden Stator-Magnetfeld zu folgen. Mit einer sogenannten Start-/Stopfrequenz, die je nach Schrittmotor und Belastung zwischen 50 und 2.000 Hz liegt, ist ein sicherer Anlauf gewährleistet. Nach dem Start kann die Taktfrequenz erhöht werden. Diese Erhöhung bestimmt die Beschleunigung des Motors und darf beliebig langsam, jedoch nicht beliebig schnell erfolgen; der Schrittmotor steigt sonst aus. Ein Überschreiten der maximalen Taktfrequenz bzw. Drehzahl führt ebenfalls zum sofortigen Stillstand.

SMOST Software

Wie bereits angedeutet, werden alle Takte und Richtungs-Signale auf dem 80C166-Board mit der Software erzeugt. Jeder Takt wird in einem 32-Bit-Zähler registriert und kann als "Aktuelle Position" abgefragt oder verändert werden. Nach einer Nullpunktsuche wird dieser Wert auf Null gesetzt. Bei dem Kommando "Go" erstellt der Controller aus den Parametern "Untere Frequenz", "Obere Frequenz" und "Beschleunigung" eine Rampentabelle.
Die Takte werden mit diesen Werten für die steigende Rampe bis zur Hochgeschwindigkeitsphase ausgegeben. Ist der Dauerlaufmodus eingeschaltet, erfolgt die weitere Taktausgabe mit dem Parameter "Obere Frequenz". Bei einem "Halt"-Kommando wird die Rampentabelle in umgekehrter Reihenfolge für die fallende Flanke bis zum Stillstand abgearbeitet.
Ist der Positionier-Modus eingeschaltet, wird in der Tabelle zusätzlich die Differenz zwischen Aktueller Position und End-Position berücksichtigt sowie die Schrittzahl für die Hochgeschwindigkeitsphase ermittelt. Werden für die beiden Rampen mehr Schritte benötigt, als für die Differenz von Aktueller Position und End-Position erforderlich wären, kann die Hochgeschwindigkeitsphase nicht erreicht werden. Da nach dem Start alle erforderlichen Taktfrequenzen und Schritte berechnet sind, dürfen alle Parameter (ausgenommen der Dauerlauf- oder Positionier-Modus) verändert werden. Ein laufender Schrittmotor kann nur mit dem Kommando "Halt" vorzeitig angehalten werden.
Nach einem "Go" kann sogar unmittelbar das Kommando "Nullpunkt suchen" gegeben werden; nach Erreichen der End-Position sucht der Schrittmotor dann sofort seinen Nullpunkt.
Interessant ist noch der Parameter "Zwischen-Position". Immer wenn die Aktuelle Position gleich diesem Wert ist, sendet das Programm eine Meldung (z1...z4) über die serielle Schnittstelle. Dieser Parameter kann zu jeder Zeit und beliebig oft geändert werden. Eine Meldung wird auch gesendet, wenn Endposition (e1...e4) oder Nullpunkt (n1...n4) erreicht sind, bei Verlassen des Nullpunkts (v1...v4) oder bei Aktivieren der 8 Sensor-Eingänge (s1...s8).
Das Kommando "Nullpunkt suchen" führt nur dann zu einer Suche, wenn ein Nullpunkt-Sensor vorhanden ist und der Paramter "Ja, mit Nullpunktsensor" gesetzt ist. Bei "Kein Nullpunktsensor" wird nur die Aktuelle Position auf Null gesetzt und die Meldung (n1...n4) ausgegeben.
Alle Kommandos und Meldungen sind in Tabelle 5 aufgelistet.

SMOST Kommunikation

Die Kommunikation mit SMOST erfolgt über die serielle Schnittstelle mit 9600 Baud / 8 Bit / 1 Stopbit / No Parity. Mit einem PC-Terminal-Programm (ASCII-Übertragung) ist eine Steuerung und Abfrage von SMOST möglich. Für komplexe Schrittmotor-Abläufe ist jedoch ein Programm erforderlich, das Kommandos erzeugt und Meldungen auswertet.
SMOST empfängt alle Kommandos als Buchstabe oder ganzes Wort ohne Ziffern und Sonderzeichen. Zwischen Groß- und Kleinschreibung wird nicht unterschieden:

M1 / m2 / M 3 / m 4 / Motor 2

Mehrere Kommandos in einer Zeile sind zulässig; sie müssen durch Komma oder Doppelpunkt getrennt sein:

m1, t500 / M1, T500 / M1:T500:M2:T800 / Motor 1, Taktfrequenz 500

Nach einem Semikolon dürfen bis zum Zeilen-Ende Kommentare hinzugefügt werden:

M1,T500 ; Taktfrequenz 500 Hz für Motor

Alle Kommandos und Meldungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.


SMOST Kommandos und Meldungen
	Kommando	Parameter	Beschreibung
?	Hilfe	-	Hilfe abfragen
A	* Aktuelle Position	±2.147.483.648	Aktuelle Position setzen / abfragen
B	* Beschleunigung	5 - 1.000	Motor-Beschleunigung setzen / abfragen (Takte pro ms)
C	Copy Data	-	Daten von Speicher in EEPROM kopieren
D	Dauerlauf-Modus	0 / 1 - 4 / 9	Dauerlauf-Modus ein (Positionier-Modus aus)
E	* End-Position	±2.147.483.648	End-Position setzen / abfragen
e	Meldung	1 - 4	Meldung "End-Position erreicht"
F	Fahrt Slow	0 / 1 - 4 / 9	Fahrt mit Takt-Frequenz (Slow) in angewählter Richtung
G	Go	0 / 1 - 4 / 9	Motor starten / End-Position anfahren
H	Halt	0 / 1 - 4 / 9	Motor anhalten
I	Info	-	Informationen abfragen (Status mit vorangestelltem Semikolon)
J	Ja, mit Nullpunkt	0 / 1 - 4 / 9	Nullpunkt-Sensor anfahren und akt. Position auf 0 setzen
K	Kein Nullpunkt	0 / 1 - 4 / 9	Kein Nullpunkt-Sensor; aktuelle Position direkt auf 0 setzen
L	Linkslauf	0 / 1 - 4 / 9	Linkslauf bei Fahrten mit Takt-Frequenz (Slow)
M	Motor aktuell *	1 - 4	Motor-Nr. für nachfolgende Kommandos setzen / abfragen
N	Nullpunkt suchen	0 / 1 - 4 / 9	Nullpunkt suchen mit Takt-Frequenz
n	Meldung	1 - 4	Meldung "Nullpunkt erreicht"
O	* Obere Frequenz	50 - 20.000 Hz	Obere Frequenz (Fast) setzen / abfragen
P	Positionier-Modus	0 / 1 - 4 / 9	Positionier-Modus ein (Dauerlauf-Modus aus)
q	Meldung	0 - 9	Quittierung (q0) und Fehlermeldungen (q1-q9)
R	Rechtslauf	0 / 1 - 4 / 9	Rechtslauf bei Fahrten mit Takt-Frequenz (Slow)
S	Status	- / 0 / 1 - 4 / 9	Status abfragen: M1,T500,U1000,O10000,B500,....
s	Meldung	1 - 8	Meldung "Sensor erreicht"
T	* Takt-Frequenz	50 - 5.000 Hz	Takt-Frequenz (Slow) setzen / abfragen
U	* Untere Frequenz	50 - 5.000 Hz	Untere Frequenz (Start/Stop) setzen / abfragen
V	Versions-Nr.	-	Versions-Nummer des Programms abfragen
v	Meldung	1 - 4	Meldung "Verlassen des Nullpunkts"
W	Wiederholen	0 / 1 - 4 / 9	Wiederholen letzte Schrittzahl in letzter Richtung
X	Wiederh. umgekehrt	0 / 1 - 4 / 9	Wiederholen letzte Schrittzahl in umgekehrter Richtung
Z	* Zwischen-Position	±2.147.483.648	Zwischen-Position setzen / abfragen
z	Meldung	1 - 4	Meldung "Zwischen-Position erreicht"
*	Zulässige Werte:	0	= aktueller Motor (mit M1 - M4 vorher gesetzt)
		1 - 4	= angegebener Motor
		9	= alle Motoren
		-	= Zustand abfragen


SMOST Pinbelegung 80C166 Board
Funktion		Bezeichnung	Pin		Pin		Bezeichnung	Funktion
+5V	Versorgung	+5V	1bc	1	2	1a	+5V	+5V	Versorgung
Ausg.	SIO 2 TxD Mon	P3.8 / TXD1	2bc	3	4	2a	P1.12	Ausg.	SIO 2 RTS
Eing.	SIO 2 RxD Mon	P3.9 / RXD1	3bc	5	6	3a	P2.12/CC12IO	Eing.	SIO 2 CTS
GND	SIO 2	GND	4bc	7	8	4a	GND	GND	SIO 1
Ausg.	SIO 1 TxD Prog	P3.10 / TXD0	5bc	9	10	5a	P1.11	Ausg.	SIO 1 RTS
Eing.	SIO 1 RxD Prog	P3.11 / RXD0	6bc	11	12	6a	P2.11/CC11IO	Eing.	SIO 1 CTS
+5V	Seriell	+5V	7bc	13	14	7a	GND	GND	Seriell
Ein/Ausg.	Seriell Data	P1.10	8bc	15	16	8a	P2.10/CC10IO	Ein/Ausg.	Seriell Clock
Eing.	unbenutzt	NMI#	9bc	17	18	9a	RSTIN#	Eing.	Reset-Taster
Ausg.	4	P3.15 / CLK	10bc	19	20	10a	P2.13/BREQ#	Ausg.	1
Ausg.	2	P2.14/HLDA#	11bc	21	22	11a	P2.15/HOLD#	Ausg.	3
Eing.	Dip-Switch Bit 4	P3.7 / T2IN	12bc	23	24	12a	P3.6 / T3IN	Eing.	Dip-Switch Bit 3
Eing.	Dip-Switch Bit 2	P3.5 / T4IN	13bc	25	26	13a	P3.4 / T3EUD	Eing.	Dip-Switch Bit 1
Ausg.	unbenutzt	P3.3 / T3OUT	14bc	27	28	14a	P3.2 / CAPIN	Eing.	Pos.-Sensor 7
Ausg.	unbenutzt	P3.1 / T6OUT	15bc	29	30	15a	P3.0 / T0IN	Eing.	Pos.-Sensor 8
Eing.	Taster 10 (Prog.)	P2.9 / CC9IO	16bc	31	32	16a	P2.8 / CC8IO	Eing.	Taster 9 (Shift)
Eing.	Taster 8 (1)	P2.7 / CC7IO	17bc	33	34	17a	P2.6 / CC6IO	Eing.	Taster 7 (2)
Eing.	Taster 6 (3)	P2.5 / CC5IO	18bc	35	36	18a	P2.4 / CC4IO	Eing.	Taster 5 (4)
Eing.	Taster 4 (5)	P2.3 / CC3IO	19bc	37	38	19a	P2.2 / CC2IO	Eing.	Taster 3 (6)
Eing.	Taster 2 (7)	P2.1 / CC1IO	20bc	39	40	20a	P2.0 / CC0IO	Eing.	Taster 1 (8)
Eing.	Nullpunkt SM-1	P5.0 / AN0	21bc	41	42	21a	P5.1 / AN1	Eing.	Nullpunkt SM-2
Eing.	Nullpunkt SM-3	P5.2 / AN2	22bc	43	44	22a	P5.3 / AN3	Eing.	Nullpunkt SM-4
Eing.	Pos.-Sensor 1	P5.4 / AN4	23bc	45	46	23a	P5.5 / AN5	Eing.	Pos.-Sensor 2
Eing.	Pos.-Sensor 3	P5.6 / AN6	24bc	47	48	24a	P5.7 / AN7	Eing.	Pos.-Sensor 4
Eing.	Pos.-Sensor 5	P5.8 / AN8	25bc	49	50	25a	P5.9 / AN9	Eing.	Pos.-Sensor 6
GND	Analog Referenz	VAGND	26bc	51	52	26a	VAREF	+5V	Analog Referenz
Ausg.	LED Prog.	P1.9	27bc	53	54	27a	P1.8	Ausg.	LED Shift
Ausg.	Richtung SM-4	P1.7	28bc	55	56	28a	P1.6	Ausg.	Takt SM-4
Ausg.	Richtung SM-3	P1.5	29bc	57	58	29a	P1.4	Ausg.	Takt SM-3
Ausg.	Richtung SM-2	P1.3	30bc	59	60	30a	P1.2	Ausg.	Takt SM-2
Ausg.	Richtung SM-1	P1.1	31bc	61	62	31a	P1.0	Ausg.	Takt SM-1
GND	Versorgung	GND	32bc	63	64	32a	GND	GND	Versorgung

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