Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Mikrocontrollern am Beispiel eines Arduino-Mega
Einleitung
• Aufgabenstellung und Ziel
Stand der Technik
Hardware
• Arduino Mega 2560 Mikrocontroller
• Geckodrive G201X Schrittmotortreiber
• Igus Nema23 Schrittmotor
• Schaltplan
Software
• Quellcode Mikrocontroller Der Quellcode des Arduino-Programms besteht aus 5 Teilen, welche im nachfolgenden erläutert werden.
- Deklarierung/Initialisierung der Variablen und Funktionen
Hier werden alle im Programm genutzten Variablen und Funktionen deklariert und initialisiert.
// MTR GPE
// WS 15/16
// David Hötzel
// Test-String-Verfahren: X2000Y0000Z0000F9999 // Test-String-Referenzierung: U4000V0000W0000
// Endschalter der Endlagen links und rechts sind nur zur hardwaretechnischen Sicherheitsabschaltung (Not-Endlage) vorgesehen, nicht in diesem Programm zur Referenzierung!
#include <AccelStepper.h> // Libary für Schrittmotoransteuerung
// Infos: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/classAccelStepper.html
AccelStepper Achse_X(1,9,8), Achse_Y(1,9,8), Achse_Z(1,9,8); // Funktion zur Ansteuerung der jeweiligen Achse erstellen (Interface, Output-Pin für Step, Output-Pin für Direction)
double X_Schritte = 0.0, Y_Schritte = 0.0, Z_Schritte = 0.0, F_Geschw = 0.0, U_Schritte = 0.0, V_Schritte = 0.0, W_Schritte = 0.0; // Variablen zur Berechnung der Anzahl der Schritte
double X_Soll = 0.0, Y_Soll = 0.0, Z_Soll = 0.0, F_Soll = 0.0; // Variablen zur Berechnung der Sollposition in mm
double U_Referenz = 0.0, V_Referenz = 0.0, W_Referenz = 0.0; // Variablen zur Referenzierung
char Zeichen; // Variable zur Identifizeriung der Achsebezeichnung im String
double Sollposition = 0; // Variable zum Zwischenspeichern des Sollwerts (aller Achsen) in der Funktion "string_auslesen"
double Schrittverhaeltnis = 0.033; // Verhältnis zur Eingabe absoluter Wege
// Verhältnis Verfahrweg pro Umdrehung in mm/Schritte: 66/200 = 0,33 (Umdrehung besteht bei 1,8° pro Schritt aus 200 Schritten)
// Verhältnis Schrittmotortreiber zu Schrittmotor: 1/10
- void setup()
Die Funktion void setup() wird zum Programmstart jeweils nur einmal ausgeführt. Hier werden die serielle Kommunikation aufgebaut, die Logik der Digitalpins zur Ansteuerung des Schrittmotortreibers festgelegt und die maximale Geschwindigkeit der Achsen begrenzt
{
Serial.begin(115200); // Serielle Kommunikation starten
Serial.println(""), Serial.println("");
Serial.print("Initialisiere...");
Achse_X.setPinsInverted(false,true,true); // Direction: false=rechts, stepInvert, enableInvert
Achse_X.setMaxSpeed(1000); // Begrenzung maximale Geschwindwigkeit der Achse
Achse_Y.setPinsInverted(false,true,true);
Achse_Y.setMaxSpeed(1000);
Achse_Z.setPinsInverted(false,true,true);
Achse_Z.setMaxSpeed(1000);
Serial.println("fertig.");
Serial.println(""), Serial.println("");
}
- void loop()
{
if (Serial.available() > 0) // Prüfen ob Daten am seriellen Port verfügbar sind
{
Serial.println("Neue Werte empfangen:");
Zeichen = Serial.read(); // erstes Byte (=erstes Zeichen) des seriellen Ports einlesen
if(Zeichen == 'X') // Prüfen ob das Zeichen ein X,Y,Z oder F ist (Sollwertvorgaben der jeweiligen Achsen)
{
X_Soll = string_auslesen(); // Aufruf der Unterfunktion zum Auslesen des Strings vom seriellen Port
Serial.print("X-Soll [mm]:"), Serial.print(X_Soll);
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'Y')
{
Y_Soll = string_auslesen();
Serial.print(" | Y-Soll [mm]:"), Serial.print(Y_Soll);
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'Z')
{
Z_Soll = string_auslesen();
Serial.print(" | Z-Soll [mm]:"), Serial.print(Z_Soll);
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'F')
{
F_Soll = string_auslesen();
Serial.print(" | F-Soll [mm/min]: "), Serial.println(F_Soll), Serial.println("");
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'U') // Prüfen ob das Zeichen ein U,V oder W ist (Übergabe eines neuen Referenzpunkt der jeweiligen Achse)
{
U_Referenz = string_auslesen();
U_Schritte = U_Referenz/Schrittverhaeltnis; // Berechnung der Anzahl der Schritte für die Referenzposition
Achse_X.setCurrentPosition(U_Schritte); // Übergabe der Anzahl der Schritte für die Referenzposition
X_Soll = 0; // Sollwert der Achse gleich Null setzen, damit sie in der Referenzposition stehen bleibt
Serial.print("X-Achse-Referenz gesetzt [mm]: "), Serial.print(U_Referenz);
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'V')
{
V_Referenz = string_auslesen();
V_Schritte = V_Referenz/Schrittverhaeltnis;
Achse_Y.setCurrentPosition(V_Schritte);
Y_Soll = 0;
Serial.print(" | Y-Achse-Referenz gesetzt [mm]: "), Serial.print(V_Referenz);
Zeichen = Serial.read();
}
if(Zeichen == 'W')
{
W_Referenz = string_auslesen();
W_Schritte = W_Referenz/Schrittverhaeltnis;
Achse_Z.setCurrentPosition(W_Referenz);
Z_Soll = 0;
Serial.print(" | Z-Achse-Referenz gesetzt [mm]: "), Serial.println(W_Referenz), Serial.println("");
Zeichen = Serial.read();
}
}
X_Schritte = X_Soll/Schrittverhaeltnis; // Berechnung der Anzahl der Schritte zur Übergabe an den Schrittmotortreiber der jeweiligen Achse
Y_Schritte = Y_Soll/Schrittverhaeltnis;
Z_Schritte = Z_Soll/Schrittverhaeltnis;
F_Geschw = (F_Soll/(60*Schrittverhaeltnis)); // Berechnung der Anzahl der Schritte pro Sekunde für die Geschwindigkeitsvorgabe der Achsen
Achse_X.moveTo(X_Schritte); // Übergabe der Anzahl der Schritte an den jeweiligen Schrittmotortreiber
Achse_Y.moveTo(Y_Schritte);
Achse_Z.moveTo(Z_Schritte);
Verfahren(); // Aufruf der Unterfunktion zur Ansteuerung der Achsen und zur Geschwindigkeitsvorgabe
}
- double string_auslesen()
{ // Unterfunktion zum Auslesen des Strings vom seriellen Port
Sollposition = 0;
int i=0;
while(i<=3) // Schleife wird 4 mal durchlaufen, um die 4 Zeichen nach dem X,Y,Z oder F einzulesen
{
Zeichen = Serial.read();
if(Zeichen >= '0' && Zeichen <= '9') {Sollposition = (Sollposition * 10) + (Zeichen - '0');} // Umwandeln (in dezimal Zahl) und Aufaddieren der Zeichen vom seriellen Port
i++;
}
Sollposition = Sollposition / 10.0; // durch bilden der Kommastelle wird aus der 4-stelligen Wert ein 3 stelliger Wert plus Kommstelle
return Sollposition;
}
- void Verfahren()
{ // Unterfunktion zur Ansteuerung der Achsen und zur Geschwindigkeitsvorgabe
Achse_X.setSpeed(F_Geschw); // Vorgabe der festen Geschwindigkeit an die Achse
Achse_X.runSpeedToPosition(); // Verfahren der Achse zum Sollwert mit der zuvor vorgegebenen Geschwindigkeit
Achse_Y.setSpeed(F_Geschw);
Achse_Y.runSpeedToPosition();
Achse_Z.setSpeed(F_Geschw);
Achse_Z.runSpeedToPosition();
}