Planung einer Motorfokus-Steuerung
 
Die meisten auf dem Markt erhältlichen Motorfokus-Steuerungen sind mir entweder zu teuer oder nur eingeschränkt einsetzbar.

Gewünschte Funktionen einer Motorfokus-Steuerung:
 Funktionsprinzip der Temperaturkompensation:

Systemkalibrierung:
Die Steuerung fährt den Fokus zuerst automatisch vorwärts zum Resetpunkt, bis der Endschalter am Auszug Richtung Teleskop betätigt wird und die Zählung der Schritte beginnt bei Null.
Anschliessend fährt man den Fokus manuell mit den Tasten gesteuert rückwärts bis zum Schärfe-Punkt (im Beispiel unten bei 25.0mm).
Der Fokus wird für eine bestimmte Konfiguration von Auszug, Bildfeldebner, Adapter, OAG, Zwischenringen und CCD Kamera bei verschiedenen Temperaturen während einer ganzen Nacht immer wieder mit den Tasten der Steuerung korrigiert (< >) und gespeichert (F). Pro Kalibrierpunkt werden jeweils die elektronisch gemessene Temperatur und die jeweilige Schrittzahl der Schrittmotorsteuerung gespeichert.



Automatische Temperaturkompensation:
Mit diesen  gespeicherten Temperaturwerten und Schrittzahlen kann die Autofokus-Steuerung anschliessend unter Verwendung der lineraren Interpollation den Fokus für jede beliebige Temperatur zwischen +25°C und -25°C für die jeweilge Konfiguration automatisch korrigieren (die Schrittzahlen der Tabelle sind nur Beispielswerte). Wird der Schrittmotor an der Achse der Feineinstellung  (Untersetzung x10) angeschlossen, so sind entsprechend mehr Schritte zur Korrektur notwendig und sie wird dadurch präziser. Durch die Verwendung von Mikroschritten bei der Schrittmotorsteuerung kann die Präzision nochmals um Faktoren verbessert werden.

                                                         Schrittzahl

Temperatur

 Komponenten der neuen ROBANI Motorfokus-Steuerung:

Steuergerät:
Das Steuergerät, welches in einem Schalen-Kunststoffgehäuse 120x190x38mm mit beidseitigen Montageflanschen +20mm untergebracht ist, beinhaltet alle zentralen Funktionen der Motorfokus-Steuerung inklusive den Temperaturfühler für die Umgebungstemperatur, sowie eine zweizeilge textfähige dimmbare Anzeige mit fünf Sprachen zur Auswahl und drei Bedientasten. Dieses Steuergerät erfüllt in der Basiversion die komplette Motorfokus-Funktion und nur der passende Schrittmotor und ein Endschalter für die Initialisierung müssen noch zugekauft und extern angeschlossen werden. Auf Grund der unterschiedlichsten mechanischen Adaptionen für die verschiednen  Auszüge und der dafür notwendigen Schrittmotoren, wird auf diese Komponeten im Lieferumfang verzichtet. Es kann jeder 2-Phasen Hybrid-Schrittmotor verwendet werden mit einem Steuerstrom von 160-750mA (z.B. ein QMOT Motor QSH2818), denn dieser Strom ist in der Steuerung mit einem Potentiometer einstellbar. Als Anschluss zum Motorfokus steht eine ein RJ45 Buchse (8-polig) zur Vefügung mit einem passenden ca.1m langen RJ45 Kabel im Lieferumfang. Die Stromversorgung des Steuergerätes erfolgt mit 12VDC über eine Buchse mit Zentralstift (wie bei den meisten GoTo-Montierungen), das passende 5m lange Anschlusskabel mit Autostecker (Zigarettenanzünder) gehört auch zum Lieferumfang. Für zwei zusätzliche externe Temperaturfühler stehen eine separate 4-polige RJ10 Buchse und die RJ45 Buchse des Motorfokus zur Verfügung. Der Anschluss an den PC erfolgt über eine USB2.0 fähige USB Typ B Buchse inklusive 1m langes Kabel (USB-B zu USB-A). Über diese Schnittstelle (USB beinhaltet eine COM Schnittstelle) erfolgen die Fernsteuerung via PC (COMx) sowie Softwareupdates. Zudem gibt es eine weitere serielle Schnittstelle mit RS232 über eine 4-polige RJ10 Buchse mit der identischen Schnittstellenbelegung wie beim Celestron NexStar Handheldterminal. Diese Schnittstelle (COMy) dient nicht nur für die Fernsteuerung via PC sowie Software-Updates, sondern auch noch für online Tests (nur an COMy).

Modell des Steuergerätes:




Schrittmotor (nicht im Lieferumfang enthalten):
Ein für das Fokussiersystem passender Schrittmotor muss selbst beschafft werden. Damit kann jeder die Adaptierung mechanisch optimal an sein Fokussiersystem anpassen. Es können Schrittmotoren mit unterschiedlicher Leistung und Schrittzahl/Umdrehung verwendet werden. Der Strom zur Ansteuerung des Motors kann im Gerät mit einem Potentiometer an den Schrittmotor angepasst werden (160-800mA).

Vorschlag Schrittmotor (z.B. ein QMOT Motor QSH2818) :



Für den Betrieb des Schrittmotors können über mehrere Parameter Anpassungen der Konfiguration an das jeweilis verwendete Fokussiersystem (Auszug) gemacht werden.

Endschalter:
Der Endschalter 1 befindet sich am Endanschlag in Richtung Teleskop des Fokussiersystems (kürzeste Brennweite) ist zwingend notwendig für die automatische Nullstellung des Schrittzählers.
Der Endschalter 2 befindet sich am Endanschlag in Richtung Okular bzw. Kamera (grösste Brennweite) und ist optional einsetzbar für die automatische Erfassung der maximalen Schrittzahl.

Drehrichtung:
Die Drehrichtung kann je nach Montage des Schrittmotors bzw. eingesetzem Antriebssystem vom Schrittmotor auf die Achse des Fokussiersystem (Auszug) angepasst werden.
NORMAL        Drehrichtung vorwärts erhöht die Brennweite (Bewegung des Fokussiersystems in Richtung von Okular bzw. Kamera).   
INVERTIERT  Drehrichtung vorwärts verkürzt die Brennweite (Bewegung des Fokussiersystems in Richtung des Teleskops).

Geschwindigkeit:
Die Geschwindigkeit (Impulsfrequenz) für den Schrittmotor kann an das jeweils verwendete Fokussiersystem (Auszug) angepasst werden.
NORMAL       Die vom der Steuerung vorgegebene Schrittfrequenz.
LANGSAM    Die vom der Steuerung vorgegebene Schrittfrequenz : 2.
SCHNELL     Die vom der Steuerung vorgegebene Schrittfrequenz x2.

Untersetzung:
Damit kann Geschwindigkeit (Impulsfrequenz) des Schrittmotors an die verwendete Antriebsachse des Fokussiersystems (Auszug) angepasst werden.
AUS    Bei Antrieb der direkten Fokusieraschse wird die gewählte Geschwindigkeit für die Initialisierung und die Fokusnachführung verwendet.
EIN      Bei Antrieb der 10-fach untersetzten Fokusieraschse wird die gewählte Geschwindigkeit x10 für die Initialisierung verwendet und dauert somit gleich lang.
            Für die manuelle Fokuskorrektur oder bei der automatischen Fokusnachführung wird hingegen die gewählte Geschwindigkeit verwendet und deshalb 10x präziser.

Mikroschritte (Microstep):
Durch die Wahl von Mikroschritten wird die Präzision bei der Fokusnachführung entsprechend erhöht. Die Mikroschritte werden bei der Initialisierung nicht verwendet aber bei der manuellen Fokuskorrektur oder bei der automatischen Fokusnachführung.
AUS    Es werden keine Mikroschritte verwendet und es gilt die normale Auflösung des vorgeschlagenen Schrittmotors von 180 Schritte/ Umdrehung = 2°/Schritt.
EIN      Es werden Mikroschritte verwendet und das ergibt eine entsprechend höhere Auflösung und mehr Präzision.
2          Es werden an Stelle eines normalen Schrittes 2 Mikroschritte ausgeführt und ergibt eine Auflösung des vorgeschlagenen Schrittmotors von 360 Schritte/ Umdrehung = 1°/Schritt.
4          Es werden an Stelle eines normalen Schrittes 4 Mikroschritte ausgeführt und ergibt eine Auflösung des vorgeschlagenen Schrittmotors von 720 Schritte/ Umdrehung = 0.5°/Schritt.
8          Es werden an Stelle eines normalen Schrittes 8 Mikroschritte ausgeführt und ergibt eine Auflösung des vorgeschlagenen Schrittmotors von 1440 Schritte/ Umdrehung = 0.25°/Schritt.

 Fernsteuerterminal (Option):
Das optionale Fernsteuerterminal, welches via 2m langes RJ45 Kabel angeschlossen werden kann, ist in einem kleineren Schalen-Kunststoffgehäuse 101x52x27mm mit beidseitigen Montageflanschen +11mm untergebracht und beinhaltet zwei dimmbare Status-LEDs (rot und grün) zur Anzeige der Korrektur- und Stausfunktionen, sowie die gleichen drei Bedientasten wie das Steuergerät. Es erlaubt die Befestigung des Steuergerätes welches über mehre Kabelanschlüsse verfügt am Stativ oder einem beliebigen Ort am Teleskopaufbau und macht die Bedienung mit nur noch einem Kabel via Fernsteuerterminal beweglicher und komfortabler. Durch die beidseitigen RJ45 Stecker kann bei  Bedarf auch ein längeres RJ45-Kabel verwendet werden.

Motorterminal (Option):
Das optionale Motorterminal, welches in einem sehr kleinen Schalen-Kunststoffgehäuse 78x40x24mm untergebracht ist, verfügt über eine RJ45 Buchse (8-polig) und wird übar das ca. 1m lange RJ45 Kabel, welches bereits im Lieferumfang des Steuergerätes enthalten ist, angeschlossen. Durch die beidseitigen RJ45 Stecker kann bei  Bedarf auch ein längeres RJ45-Kabel verwendet werden. Auf der Motorenseite sind in der Box 10 beschriftete Schraubklemmen vorhanden, die es erlauben einen Schrittmotor und bis zu zwei Endschalter, sowie einen externen Temperaturfühler anzuschliessen. Wird kein Motorterminal verwendet, so müssen der Schrittmotor und der vordere Endschalter direkt an das RJ45 Kabel konfektioniert werden (z.B. Stecker abschneiden und Motor  sowie Endschalter anlöten). 

Exerner Sensor (Option):
Für den Anschluss eines zusätzlichen externen Temperaturfühler (z.B. am Teleskoptubus), wird als Option ein sehr kleines Schalen-Kunststoffgehäuse 78x40x24mm mit integriertem Sensor auf der Unterseite und zwei Klemmenpaaren im inneren angeboten. Damit kann wahlweise der integrierte Sensor oder ein weiterer externer Sensor angeschlosen werden.

Betriebsarten der neuen Motorfokus-Steuerung: Manuelle Korrekturen der der Fokussierung müssen in den Einstellungen sowie im Betrieb möglich sein (kontinuierliche Rekalibrierung).
 Deshalb habe ich mich entschlossen die Entwicklung einer eigenen Motorfokus-Steuerung in Angriff zu nehmen und erst einmal damit begonnen mir ein entsprechendes Pflichtenheft zusammenzustellen.

 Anzeigen der neuen Motorfokus-Steuerung:
Auf der Steuerung ist ein zweizeiliges alphanumerisches LCD (2x16 Zeichen) mit roter LED-Hintergrundbeleuchtung (dimmbar).
Auf dem  Handbedienungsterminal zur Fernsteuerung gibt es eine rote und eine grüne LED (parallel gedimmt zur Hintergrundbeleuchtung).

 Bedienung der neuen Motorfokus-Steuerung:
Die Bedienung kann an der Steuerung direkt vorgenommen werden oder auch an dem optionalen Fernsteuerterminal.
Die Bedienung erfolgt jeweils über nur drei Tasten, welche an beiden Orten folgende Funktionen haben:

Im Einstell-Modus:
>    im Menü einen Schritt weiter, bei der Werteingabe den Wert  erhöhen.
<    im Menü einen Schritt zurück, bei der Werteingabe den Wert  verkleinern.
F    im Menü Einstieg in dieses Menu, bei der Werteingabe diesen Wert speichern (ENTER-Funktion).

Im Betriebs-Modus:
>    manuelle Fokuskorrektur (Brennweitenvergrösserung in Richtung zum hinteren Endschalter).
<    manuelle Fokuskorrektur (Brennweitenverkürzung in Richtung zum vorderen Endschalter).
F    schnelle Fokuskorrektur (FAST) wenn vorher schon + oder - gedrückt sind, zurück zum Standby-Modus wenn nur F allein gedrückt wird (FINISH).

Remote Betrieb:
Fernsteuerung zur Wertanzeige und Parametereingabe via Menü über den PC mittels GUI auf der Basis von Visual Basic oder ähnlichem Programmen (soll später entwicklet werden). Dazu werden dann die serielle Schnittstellen COMx (USB) oder COMy (RS232) vewendet.
Die Schnittstelle COMx ist als USB Anschluss immer verfügbar und wird auch für die Software Updates der Steuerung verwendet.
Die Schnittstelle COMy ist als RS232 Anschluss optional verfügbar und kann auch parallel zum Betrieb der Schnittstelle COMx im Test Modus zu Analysezwecken verwendet werden.


Anschlusskonzept:
Motorfokus ROBANI Technische Vorgaben:






Hardware: Typ:
 Bemerkungen:
 Anschlüsse:
Versorgungsspannung Schaltregler Erzeugung der internen 5VDC 12VDC Autostecker
PC-Schnittstelle 1 USB2.0 Umsetzung auf COM-Port (COMx) USB TypB
PC-Schnittstelle 2 RS232 Umsetzung auf COM-Port (COMy) RS232 RJ10 (Celestron Type)
Microcontroller Atmega2561 14,74MHz RISC Prozessor (256kBytes FLASH) keine, im Gehäuse
Parameterspeicher 25LC320A SPI 32 kByte (Konfigurationsspeicher) keine, im Gehäuse
Schrittmotortreiber A3967 Microstepping Driver/Translator +-800mA keine, im Gehäuse
USB Schnittstelleninterface FT230 FTDI USB 2.0 Serial Interface keine, im Gehäuse
Anzeige Werte, Menü Text LCD 2-zeilig rot, dimmbar (PWM) bis ganz dunkel (aus)  keine, im Gehäuse
Bedienung (Menü, Betrieb) 3 Tasten am Gehäuse Menü: - , Enter, +, Betrieb: <, F, > keine, am Gehäuse
Akustische Meldungen Piezzo Buzzer Piezzo Beeper mit integriertem Oszillator keine, im Gehäuse
Fernbedienungsanschluss digital, direkt 2LED's: rot, grün (PWM), 3 Tasten: <, F, > RJ45 (8-polig),
Motoranschluss Stepper, 2-Phasen Schrittmotor, Endschalter 1+2 (2 = Option) RJ45 (8-polig), mit KTY81(2) im Motorterminal (Option)
Temperatursensor 1 KTY81, SOD70 Umgebungstemperatur (Aussentemperatur) keine, im Gehäuse
Temperatursensor 2 KTY81, Röhrchentyp  Auszugtemperatur (Montage am Auszug) RJ45 (8-polig) Anschluss im Motorterminal
Temperatursensor 3 KTY81, SOD70 oder Röhrchentyp  Tubustemperatur (Montage am Tubus) RJ10 (4-polig) mit KTY81(3) im Sensor Extern (Option)




Software: Funktionen:
 Bemerkungen:
 Programmtyp (Funktion):
PC: ASCOM Protokoll Protokoll-Translater PC-Anbindung an bestehende Programme Standardisiertes Astro Protokoll
PC: RobaniFocusProtokoll© Kommunikation zum PC COMxy: Anbindung an RobaniFocus SW Serial ASCII Protocol (Remote oder Online)
PC: RobaniFocusPanel© Kommunikation zum PC COMy:  Settings, Service und Test via PC Serial ASCII Protocol (Entwicklung, Tests via Hyperterminal)
PC: Bootloader Kommunikation zum PC COMxy: SW-Update via PC (download vom PC) Serial ASCII Protocol (Software Update)
PC: Remote Control Bedienung via PC COMxy: Bedienung und Parametereingabe RobaniFocusControl (GUI)
Sprachen zur Bedienung Sprachauswahl Englisch, Deutsch, Französisch, Italienisch, Spanisch Menüauswahl / RobaniFocusProtokoll©
Baudraten zum PC wählbar nur am PC 9600, 19200, 57600 Baud RobaniFocusProtokoll©, RobaniFocusPanel©, Bootloader
Betriebssystem Real-Time-Execute RTX Eigenentwicklung (RobaniX©) in Prozessor-FLASH
Selbsttestzyklus für Motorsteuerung Automatische Kalibierfahrten Kalibrierung über Endschalter (1, 2)
Fokus-Regler (Temperatur) einstellbar pro Sensor und Kombinationen Parameter für Reglerreaktionen (z.B. x10) für Untersetzung am Auszug
Temperaturquelle(n) wählbar 1 von 3 Sensoren oder Kombination 2+3 Umgebung(1), Auszug(2), Tubus(3)
Korrekturtabellen (lernen) für jeden Sensor und Kombinationen für mehrere Teleskope bzw. Konfigurationen im EEPROM ausfallsicher gespeichert




Anzeigemodus am LCD: Anzeigewerte dimmbar:
 Funktionen:
 Aktionen:
Systemstart SW-Version, Modus Start, Menü: Parameter Anzeige, Eingabe  Start durch F (ENTER) oder ins Menü durch: -, +
Selbsttestzyklus Kalibrierfahrt und Schrittanzeige Eingriff nur bei Störung mit beliebiger Taste keine, automatisch zu Standby,
mit Taste zu Systemstart (Abbruch)
Bereit Standby, Schritt- und  Temperaturanzeige(n) vorwärts oder rückwärts mit Tasten: <, >, (+F) Start  mit F (ENTER) oder
 ins Menü durch: -, +
Betriebsanzeige (offline) Betrieb, Schritt- und  Temperaturanzeige(n) Motorposition, Temperatur(en) in 0.1°C Korrekturen: mit Tasten: <, >, (+F)
oder Abbruch mit F (zu Standby)
Betriebsanzeige (online) Online, Schrittanzeige Schnittstelle COMx Motorposition, PC-Kommandos Abbruch mit F oder via PC (ESC) zu Standby




Anzeigemodus an der Fernbedienung: LED Anzeigen dimmbar:
 Funktionen:
 Aktionen:
Systemstart LED rot und grün blinken Start, Menü: Parameter Anzeige, Eingabe  Start durch F (ENTER) oder ins Menü durch: -, +
Selbsttestzyklus Drehrichtung: rot oder grün Eingriff nur bei Störung mit beliebiger Taste keine, automatisch zu Standby,
mit Taste zu Systemstart (Abbruch)
Standby LEDs ein (bei Stillstand) vorwärts oder rückwärts mit Tasten: <, >, (+F) Start  mit F (ENTER) oder
 ins Menü durch: -, +
Betriebsanzeige (offline) Drehrichtung: rot oder grün wenn aktiv Motorkorrekturen rückwärts oder vorwärts Korrekturen: mit Tasten: <, >, (+F)
oder Abbruch mit F (zu Standby)
Betriebsanzeige (online) Drehrichtung: rot oder grün wenn aktiv Motorkorrekturen rückwärts oder vorwärts Abbruch mit F oder via PC (ESC
zu Standby)


Bedienungskonzept 'Erstinbetriebnahme':
Das Bedienungskonzept für die Erstinbetriebnahme habe ich als Diagramm zusammengestellt, in welchem die einzelnem Schritte dieser Bedienung klar ersichtlich sind.

Bedienungskonzept 'Betrieb':
Das Bedienungskonzept für den Normalbetrieb unter Verwendung von Temperaturmessungen habe ich als Diagramm zusammengestellt, in welchem die einzelnem Schritte dieser Bedienung klar ersichtlich sind.

 Bedienungskonzept 'Online':
Das Bedienungskonzept für den Online-Betrieb  mit Autofokus basierend auf Bilddatenauswertung auf den PC mit Kommunikation via ASCOM Kommandos, habe ich als Diagramm zusammengestellt in welchem auch die einzelnem Schritte dieser Bedienung klar ersichtlich sind.

 Bedienungskonzept 'Menü':
Das Bedienungskonzept für die Einstellungen via Menü habe ich als Diagramm zusammengestellt. in welchem die einzelnem Menüpunkte für die verschiedenen Einstellungen der Steuerung schrittweise und klar ersichtlich sind.