Schrittmotoransteuerung mittels Arduino-Shield stark vereinfacht

Im Laufe der Zeit hat sich eine ganze Klasse von Programmen entwickelt, die Open Source veröffentlicht wurden; berühmtes Beispiel ist Linux. Vor einigen Jahren ist auch der Hardware- Bereich für viele Leute, die nicht unbedingt Ingenieure sind, interessanter geworden. Namentlich durch den Arduino. Arduino ist eine kleine Mikrocontroller-Plattform, die 2005  von Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis und Nicholas Zambetti an der Ivrea Universität in Italien entwickelt worden ist.

Ziel der Plattform war es, den Studenten zu ermöglichen, in sehr kurzer Zeit physikalische Prototypen zu schaffen, die Mensch-Maschine-Interaktionen darstellen können, ohne dass sich die Studenten zeitaufwändig in die Elektronik und deren Programmierung einarbeiten müssen. Inzwischen ist aus Arduino, eine Kombination aus Open- Source-Software und -Hardware, ein Ökosystem entstanden innerhalb dessen einfache Projekte ohne Vorwissen in wenigen Tagen realisierbar sind.

Open Source Hardware und Trinamic

Der Arduino ist eine aus Soft- und Hardware bestehende Physical-Computing-Plattform. Alle Komponenten sind als Open Source quelloffen verfügbar. Die Hardware besteht aus einem einfachen Board mit einem AVR-Mikrocontroller von Atmel und bietet analoge und digitale I/Os. Mittels Tochterplatinen, so genannten Shields, kann der Nutzer Schaltungsergänzungen realisieren, ohne die Arduino-Platine zu verändern. Die Shields, die es bereits standardmäßig für viele Applikationen gibt (für die Komunikation zum Beispiel Ethernet, CAN, WiFi, XBee oder für die Ansteuerung von LCDs und die Einbindung von GPS), folgen oft derselben Philosophie wie der  Originalansatz von Arduino, sie sind einfach über Steckverbinder anzubringen und preiswert, im Schnitt zwischen etwa 25 und maximal 80 €.

Was hat nun Trinamic mit der Open- Source-Hardware-Community zu tun? Viele Mitglieder der Community haben das Problem, einen Motor zu bewegen. Und die Ansteuerung von Motoren ist eine Kernkompetenz von Trinamic. Schaut man sich gleichzeitig die Demographie der Community an, so findet man dort viele Studenten und Ingenieure der Elektrotechnik oder Personen, die oft Spaß- oder Spiel-Projekte, aber auch ernsthaft kleinere Anwendungen oder gar ganze Produkte als Open-Source- Hardware realisieren.

Daher ist es sehr sinnvoll, mit der Open Source Community in Kontakt zu treten. Die Angebote an Schrittmotortreibern für den Arduino stehen deutlich hinter den Fähigkeiten der Trinamic-Produkte zurück. Zeit, die Trinamic-Produkte einem größeren Publikum anzubieten.

TOS-100 Arduino Stepper Driver Shield

Der Anwender kann auf einfache Weise mit dem TOS-100 einen kleinen Prototyp für die Ansteuerung von Schrittmotoren auf Basis des Arduino realisieren. Trinamic Motion Control

Aus den genannten Gründen hat Trinamic den TOS-100 entwickelt. Eine kleine Tochterplatine (Shield) für den Arduino, um einen Schrittmotor ansteuern beziehungsweise bewegen zu können (Bild 1). Das müsste eigentlich nicht als Open Source realisiert sein. Allerdings ist es im Sinne der Open-Source-Hardware- Community wichtig, dass die Elemente aus denen der TOS-100 besteht, als Open-Source-Komponenten veröffentlicht werden. Daher werden der Schaltplan, das Platinen-Layout und die notwendige Software als Open Source offengelegt. Entwickler können alles im Sinne von Open Source nutzen, kopieren, verändern und weiterentwickeln.

TOS-100 kann Schrittmotoren mit Strömen bis zu 1,7 A treiben und verwendet den Trinamic-Motion-Control TMC262-Stepper-Motortreiber. TOS-100 ist komplett konfigurierbar und kann fast alle Anschlüsse des Arduino für die Steuersignale nutzen und ist daher kompatibel mit nahezu allen anderen erhältlichen Arduino Shields (Bild 2). Der Schrittmotortreiber Shield ist mit SMD-Bauteilen komplett aufgebaut, bedrahtete Bauteile sind nicht eingelötet, damit sind kundenspezifische Variationen bei diesen Bauteilen möglich (zum Beispiel bei den Steckverbindern).

TOS-100 auf Arduino gesteckt. Mit Bauelementen für die Durchsteckmontage kann das sonst mit SMD bestückte Shield kundenspezifisch bestückt werden, zum Beispiel mit Steckverbindern.

Der TMC262 ist ausgelegt für die Ansteuerung von bipolaren Schrittmotoren. Zu seinem wesentlichen Merkmal zählt, dass alle Parameter per Software eingestellt werden können:

• der Motorstrom
• die Mikroschritte
• stallGuard2 sensorlose Last- und Überlasterkennung
• coolStep Last-abhängige Stromsteuerung
• spreadCycle Hysterese PWM Chopper
• microPlyer 16-bis-256 μStep Multiplier
• voller  Schutz und Diagnose

Damit ist der TMC26X vielseitiger einzusetzen als alle anderen Schrittmotor-Treiber auf dem Markt.

Nimmt man mehrere TOS-100, kann man auch mehrere Schrittmotoren ohne das sonst notwendige Go-between-Shield bewegen. Das ganze wird abgerundet mit einem kleinen Software-Paket, welches die Verwendung der Trinamic-Treiber stark vereinfacht: Einfach das Modul aufstecken und dem Schrittmotor „sagen“ wie schnell er sich und in welche Richtung er sich wie lange bewegen soll. Fertig.

Die verfügbare Steuersoftware ermöglicht es, alle Motor-Parameter einfach optimal zu konfigurieren und die Möglichkeiten der Trinamic-Schrittmotortreiber auf  simple Art und Weise zu testen oder an die gegebenen Betriebsparameter anzupassen (Bild 3).

Die verfügbare Steuersoftware ermöglicht es, alle Motor Parameter einfach optimal zu konfigurieren. Trinamic Motion Control

Die Lizensierung des TOS-100 wird sehr offen sein. Es ist nicht notwendig dass Projekte, die Teile davon einsetzen ebenso als Open Source veröffentlicht werden müssen. Und dieses kleine unscheinbare Lizenzdetail macht es für Kunden oder potenzielle Kunden von Trinamic sehr attraktiv. Sie können auf einfache Weise mit dem TOS-100 einen kleinen Prototyp auf Basis des Arduino realisieren. Funktioniert das, können sie ohne Hilfe durch  Trinamic den Schaltplan, das Layout oder die Software für ihre Projekte oder Produkte übernehmen und davon ausgehen, dass die Ziel-Applikation auf Anhieb arbeitet. Mit dem Arduino und dem TOS-100 hat es ja auch bereits funktioniert. All das verkürzt die Entwicklungszeit der Projekte beim Kunden.

Potenzielle Kunden von Trinamic, die deren Produkte versuchsweise einsetzen, können damit schneller ihre Konzepte überprüfen und diese dann rasch und einfach in das Endprodukt übernehmen.

(ah)