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Schrittmotorsteuerung Eigenbau

Notwendige Komponenten für einen Schrittmotorsteuerung Eigenbau:
– Schrittmotor (Schrittmotoren bei Amazon ansehen
– Steuerung mit Mikrocontroller AVR Atmel Atmega 32
– Programmiersoftware (AVR-Studio) kostenloser Download http://www.atmel.com
– Schrittmotorendstufe (siehe auch meine Anleitung zum Bau der Schrittmotor Endstufe)
– Spannungsquelle mit 5V für Schrittmotorsteuerung (z.B. mit LM7805 Spannungsregler)
– Spannungsquelle mit 24V für Schrittmotorendstufe, z.B. Labornetzteil von Amazon

Bild eines Schrittmotors

Bild 1: Schrittmotor mit Anschlusskabel

Mit dem Schrittmotor wird ein elektrischer Impuls in eine mechanische Drehbewegung umgesetzt. Bild 2 zeigt das Prinzipbild eines Schrittmotors: Der magnetisierte Rotor besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Der hier dargestellte einfache Schrittmotor hat 2 Spulen mit je 2 Anschlüssen. Er besitzt also insgesamt 4 elektrische Anschlüsse.

Schema eines Schrittmotors. [Quelle: Wikipedia]

Sendet man einen elektrischen Strom durch die Spulen des Schrittmotors, so wird in den Spulen ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld bewirkt, dass sich der magnetische Rotor in eine bestimmte Richtung ausrichtet. Durch abwechselnd unterschiedliche Bestromung der Spulen wird eine kontinuierliche Drehbewegung erzeugt.
Handelsübliche Schrittmotoren drehen sich um 1,8 Grad pro Schritt. Für eine volle Umdrehung des Motors von 360 Grad sind 200 Schritte im Vollschrittbetrieb notwendig.

Eine Schrittmotorsteuerung liefert dem Schrittmotor die  Schrittsignale. Sie gibt vor, wieviele Schritte sich der Motor bewegt. Eine Steuerung auf Basis eines Mikrocontroller liefert ein 5V Steuersignal. Damit der Motor die volle Leistung erreicht, ist ein Verstärker notwendig. Siehe auch Bild 3. Diese Schrittmotor-Endstufe verstärkt die 5V-Steuersignale in 24V-Impulse.

Darstellung Schrittmotorendstufe

Bild 3: Darstellung der Ein-/Ausgänge einer Schrittmotorendstufe

Schrittmotorendstufen basieren oft auf den beiden Halbleiterchips L297 und L298. Wollt Ihr die Endstufe auch selbst bauen, so findet ihr hier die Bauanleitung und den Schaltplan der Schrittmotorsteuerung mit L297 und L298 Schrittmotorendstufen dieser Art werden mit folgenden 5V Signalen angesteuert:
– DIR (Direction = Drehrichtung)
– CLK (Clock = Taktsignal für Schritt)
– EN (Enable = an/aus)

 

Schrittmotorimpulse

Bild 4: Darstellung der Einzelimpulse einer Schrittmotorsteuerung

Liegt ein 5V Signal an Enable an, so ist die Endstufe bereit. Jeder Spannungsimpuls an Clock erzeugt dann einen Schritt des Schrittmotors. Zwischen einzelnen Impulsen liegt immer eine Pause P. Kürzere Pausen P bedeuten gleichzeitig eine höhere Schrittgeschwindigkeit. (s. Bild 4)

Die Erzeugung der 5V-Steuersignale an die Schrittmotorendstufe realisiere ich über einen Schrittmotorsteuerung Eigenbau.

Mit Hilfe einer kleinen Schaltung auf Basis des Atmega32 ist das schnell realisiert.

Platinenentwicklung

Bild 5: Entwicklungsprozess der Mikrocontroller-Steuerung

Für den Selbstbau der Schrittmotorsteuerung habe ich zunächst ein Schaltungslayout entworfen. Die Software Eagle ist dazu gut geeignet. Und kostenlos verfügbar auch noch. Danach habe ich die Schaltung am Steckbrett getestet. Anschließend das Layout mit der Bügelmethode auf die Kupferplatine übertragen und im Wasserbad geätzt. Zum Schluss erfolgt die Bestückung der Platine mit den elektronischen Bauelementen. Meine Vorgehensweise bei der Entwicklung der Platine könnt Ihr schematisch in Bild 5 sehen.

Schrittmotorsteuerung Eigenbau

Bild 6: fertig gelötete Schrittmotorsteuerung im Eigenbau mit Atmega 32 Mikrocontroller

 

Bild 6 zeigt die fertig gelötete Schrittmotorsteuerung. Mit dieser Steuerung kann ich jetzt zwei Schrittmotorendstufen parallel ansteuern und einen X-Y-Tisch positionieren.
Durch die große Anzahl von Ein- und Ausgängen am Mikrokontroller kann ich verschiedene Sensoren und Schalter in die zentrale Steuerung einbinden. Beispiele hierfür sind: Positionssensoren, Temperatursensoren, Endschalter oder auch ein ausgehendes Signal zum Ein-und Ausschalten eines Bearbeitungswerkzeugs

 

Elektronische Bauteile für Schrittmotorsteuerung Eigenbau

  • 1 LED
  • 2 Widerstände
  • 2 Kondensatoren
  • 2 Dioden
  • 1 Mikrocontroller Atmega32 im DIP Gehäuse
  • 1 Spannungsregler für 5V
  • Kabelklemmen für Ein-Ausgangssignale und eine ISP Schnittstelle

In Bild 7 könnt Ihr euch noch meinen Schaltplan der Mikrocontrollersteuerung ansehen. Unter folgendem Link könnt Ihr euch das Eagle Layout des Schaltplans für euren Eigenbau herunterladen: Atmega32_Schaltplan_Board.zip. Die Schaltplan-Software Eagle findet Ihr kostenlos im Internet.

Darstellung Schaltplan Steuerung

Bild 7: Schaltplan der Mikrocontroller Steuerung mit Atmels AVR Atmega

Programmiert habe ich den Mikrocontroller über eine ISP Schnittstelle. Mit einem USB ISP Programmer wie z.B. mySmart USB light (erhältlich bei Amazon) kann man direkt aus Atmel AVR Studio den Mikrocontroller programmieren. Das Programm für die Steuerung der Schrittmotoren habe ich für Euch in diesem Artikel beschrieben.

In meinem Projekt positioniere ich jetzt mit den beiden Schrittmotoren einen X-Y-Tisch. Für die Referenzierung nach dem Einschalten der Steuerung verwende ich zwei Endschalter. Diese Endschalter werden beim Aktivieren der Steuerung erstmals durch die Motoren angefahren. Dabei wird der 0-Punkt des X-Y-Kreuztisch angetastet.
In Bild 8 seht Ihr den Aufbau der Mechanik meines Eigenbau X-Y-Tisches.

Darstellung x-y Achse für eine CNC Anwendung

Bild 8: CNC X-Y-Kreuztisch. Die Positionierung des Tisches erfolgt mit der selbstgebauten Schrittmotorsteuerung

 

Ich muss sagen, ein Schrittmotorsteuerung Eigenbau macht eine Menge Spaß und lohnt sich allein deswegen.

In folgendem Link findet Ihr den Programmiercode in der Programmiersprache C zum Programmieren der Ansteuerung des Schrittmotors mit Hilfe des Atmega32 Mikrocontrollers: Schrittmotorsteuerung Software

So, falls du jetzt die Schrittmotorsteuerung nicht selber baun willst, es gibt natürlich schon fertig aufgebaute Schrittmotorsteuerungen bei Amazon.

Jetzt bist du dran! Hol‘ dir einen Schrittmotor, baue eine Steuerung mit Mikrocontroller und entwirf Dein eigenes Projekt! Sei kreativ und lerne neue Dinge dabei!
Das beste Kapital des Menschen ist sein Wissen!

18 Gedanken zu „Schrittmotorsteuerung Eigenbau“

  1. Pingback: Schrittmotor Auslegung und Auswahl leicht gemacht!

  2. Hallo.
    Würde mich mal interessieren,wie nach dem Aufbau das ganze gesteuert wird(also vorwärts/rückwärts.? Wo werden denn (und welche) Steuerungselemente angeschlossen?
    Oder muss der Atmega an einen Pc angeschlossen werden?
    Ich habe mir einen Schrittmotor an einen Drehko gebaut und hätte gerne 2 Endschalter und das wie beim Bürstenmotor dieser bei Erreichen der selben in die jeweilig andere Richtung verfahren werden kann
    Hast Du da wohl ’nen Tipp für mich?

    1. Hallo Schnappie,
      wenn du das ganze manuell steuern willst dann kannst du einfach dein Eingabegerät (Tasten oder Drehpoti o.ä.) an einen der übrigen Eingänge vom Atmega hängen. Das ganze musst du dann entsprechend Programmieren, sodass die Eingänge auch richtig erkannt werden und die Maschine dann bei Eingabe auch verfährt. Falls du noch wenig Erfahrung mit Mikrocontrollern hast kann ich dir auch den Arduino empfehlen der auf die Atmega Architektur aufbaut, da gibt es recht einfache Funktionsbibliotheken und du musst wesentlich weniger Programmieraufwand reinstecken.
      Ich wünsche dir viel Erfolg!
      Toni

  3. Hallo,
    Ich bräuchte für mein Techniker Projekt ein etwas Hilfe beim Programmieren. Also wir wollten etwas ähnliches wie eine Zeichenmschine bauen wo zwei Schrittmotoren angesteuert werden (x plus y Achse). Programmieren wollten wir das über das Programm atmen Studio 6.2 nur leider kommen wir mit dem Programm nicht weiter. Kannst du eventuell helfen? Danke im voraus LG Sebastian

    1. Hallo Sebastian,
      könnte vielleicht schon helfen, wo liegen denn die Probleme? Habt ihr es auch schon mal mit dem Arduino probiert, für den Einstieg in die Mikrocontroller-Programmierung ist es mit dem eventuell einfacher.
      Beste Grüße,
      Toni

  4. Ich bin echt begeistert von dem Projekt. Was mich jetzt noch interessieren würde wie groß der Verfahrwege in x bzw. y Richtung sind und wie groß die Schrittmotoren dimensioniert sein müssen (also von wegen Reibung und Masse die bewegt werden soll). Ein Anhaltswert für das Nennmoment (Nm) würde mir echt helfen.

    1. Hallo Chris,
      freut mich dass dir der Eigenbau der Schrittmotorsteuerung gefällt 🙂
      Also die Verfahrwege sind ca. 1000 x 300 mm. Weitere Informationen zur Auslegung deiner Schrittmotoren findest du z.B. auch hier: Schrittmotor Auslegung und Auswahl. Es hängt stark von Deiner Anwendung ab was für einen Schrittmotor du benötigst. Und je kleiner deine Spindelsteigung desto schwächer kann dann auch das Antriebsmoment des Motors sein. Damit du einen Faustwert hast: Mit einem Schrittmotor mit einem Drehmoment von 1-2 Nm kommt man in der Regel schon sehr weit.

  5. Hallo Herr Lechner
    Ich habe für eine Spezialanwendung folgendes vor:
    ich möchte 32 Schrittmotoren ansteuern und positionsgenau anpeilen für einen Roboter, geht das über USB? lg D.W.

    1. Hallo,
      kann durchaus funktionieren, hängt von der Architektur ab. Mit z.B. einer Schnittstelle USB <> RS232 (Controller) kann man schon sehr viel anfangen. Evtl. mal den Controllino im Auge behalten.
      Schöne Grüße und viel Erfolg!

  6. Hey 🙂
    erstmal klasse Anleitung !
    mein project ist es einen slider für Zeitraffer aufnahmen zu entwerfen. ich werde versuchen eine 2 Achsen Steuerung zu bauen um zum einen die Kamera um die eigene Achse drehen zu können und zum anderen die Kamera über den slider gleiten zu lassen.
    Das ganze will ich dann über einen Raspberry Pi ansteuern sodass ich den slider auch in die Natur mitnehmen kann. Zusätzlich lassen sich damit die Bilder via gPhoto2 o.ä. übertragen. Meiner Meinung nach ein klasse Programm
    Ich hoffe das klappt dann irgendwann^^

    Wenn ihr an dem Projekt interessiert seit könnt ihr bei mir mal vorbei schaun auf: Creatgraphy.com und die Entwicklung verfolgen :-)… wird jedoch erst in so 6 Wochen gestartet 😉
    bis dahin viel spass beim nachbauen und konstruieren

  7. Hätte gerne auch hilfe bei meinem eigenbau cnc…
    Als gelernter cnc dreher ist das herstellen der mechanik portal usw kein problem
    Aber wie bekomm ich die elektronik und steuerung hin bzw ansteckerrei ;( Lg

    1. Hallo Thomas,

      also zum Start kann ich Dir empfehlen, dass Du einfach mal hier reinschaust:

      https://www.precifast.de/elektronik/
      https://www.precifast.de/software/

      Es hängt stark von Deinem Budget ab, für welche Steuerung und für welche Software du dich dann entscheidest. Empfehlen kann ich z.B. die Triple Beast https://www.precifast.de/triple-beast/ und als Software z.B. Mach 3 https://www.precifast.de/pc-fuer-mach-3-vorbereiten/

      Das ganze würde z.B. so funktionieren:
      Deine Schrittmotoren werden elektrisch mit der Triple Beast verbunden. Das ist nicht besonders schwierig. Außerdem brauchst du als Spannungsversorgung für dein Triple Beast z.B. ein Festspannungsnetzteil.
      Und dann schließt du das Triple Beast an einem normalen PC über den Druckeranschluss (LPT) an. Und deine Maschine kannst du dann ohne weitere extras direkt mit Mach3 am PC steuern.
      Allerdings brauchst du zusätzlich noch Endschalter (https://www.precifast.de/naeherungsschalter/) zum Anfahren der Maschinennullposition und natürlich Notaus-Taster.
      Wenn Du weitere Hilfe brauchst, kannst du mich auch gerne über das Kontaktformular kontaktieren, dann melde ich mich per E-Mail bei dir!

  8. Hallo Toni !

    Habe die Berichte über Schrittmotor + Ansteuerung und alles was dazugehört mit Begeisterung gelesen. Genauso etwas würde ich brauchen. Meine bitte an dich würdest du mir
    Helfen um meine Idee zu verwirklichen?
    Welche Bauteile brauche ich um IR Lampe Linear von links, Punkt A (Nullpunkt) nach rechts Punkt B ca. 2500 mm zu bewegen.

    Arbeitsabfolge :
    Erster Arbeitsgang, von A nach B Geschwindigkeit ( regelbar ) , von B nach A schneller zurück.

    Zweiter Arbeitsgang
    Von A nach B mit geänderter Geschwindigkeit und zurück nach A . Geänderter Geschwindigkeit.

    Weitere Ag. Wenn nötig gleich wie Zweiter jedoch mit geänderter Geschwindigkeit.

    Ich bedanke mich im Voraus für deine Zeit.

    Gruß Hans

    1. Hallo Hans,

      das klingt interessant. Was Du brauchst ist auf jedenfall:
      – Schrittmotor
      – Schrittmotorendstufe passend zum Schrittmotor
      – z.B. Trapezgewindespindel Länge 2500 mm
      – Trapezgewindemutter
      – Führung, z.B. dünne Rundstange mit Schlitten
      – Mikrocontroller und ein paar Tasten oder Drehregler um die Funktionen (Geschwindigkeitssteuerung usw.) abzubilden
      – Spannungsversorgung (Batterie oder Netzteil)
      Das hört sich jetzt vielleicht kompliziert an, ist aber absolut kein Hexenwerk und wenn die Teile da sind kann man sowas in recht kurzer Zeit aufbauen 🙂
      Ich melde mich auch noch per Email bei Dir!
      Schöne Grüße,
      Toni

  9. Pingback: CNC Software - Digitales Werkzeug für Konstrukteur und Maschine

  10. Werner Reißland

    Hallo Hr. Lechner,
    sind sie bereit mir bei einer speziellen Schrittmotorsteurung (nema 17) zu helfen?
    Der Schrittm. hat zwei Aufgaben als Pilot auf einen 4/3 Wege Hydr. Proportionalventil die Richtung:
    (Hydr. Linearmotor rechts/links bzw. ein- ausfahren 0-Stellung [Reed-Kontakt oder ähnlich] stop )
    den Volumenstrom: durch ca. 100 Schritte im Uhrzeigersinn (ca 30°) regeln. (ausfahren)
    durch ca. 100 Schritte im gegen Uhrzeigersinn (ca 30°) regeln.(einfahren)
    Kann die Steuerung in unmittelbarer nähe Schrittm. angebaut werden?
    Wenn sie intersiert sind bitte um E-Mail
    MfG
    WR

    1. Wow, so eine Schrittmotorsteuerung selber zu bauen ist sicherlich nicht einfach, aber ich kann mir da gut vorstellen, dass diese eine Menge Spaß macht. Vielleicht versuche ich es selber in naher Zukunft auch noch. Momentan fehlen mir dazu aber noch ein paar Kenntnisse. Aber eine echt super Anleitung die du da verfasst hast;)

      Gruß Andreas

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