Erstmal was über Elektromotore:

Schon öfter habe ich auf den diversen Foren festgestellt, daß einiges an Unklarheiten im Zusammenhang mit den verschiedenen Arten des Montierungs-Antriebs bestehen. Da ich in der Vergangenheit schon einige male mit solchen Dingen beruflich zu tun hatte, habe ich vor einiger Zeit mein bescheidenes Wissen mal zusammen gekratzt und in einen Text gegossen. Da dieser Text nun schon mal existiert, kann ich ihn auch gleich ins Netz stellen und ein paar Bilder hinzufügen. Vielleicht kann er dem Ein oder Anderen bei einem Probelm helfen.
 
 

Der ungeregelte Gleichstrommotor.

Dieses Antriebskonzept stellt die elektrisch einfachste Variante dar. Ein Gleichstrommotor wird mit einer möglichst konstanten Spannung (Voltzahl) betrieben. Da die Drehzahl beim Gleichstrommotor in erster Linie von der Betriebsspannung abhängt, kann man auf diese Weise einfach eine relativ konstante Bewegung erzeugen (es kann aber keine beliebig geringe Geschwindigkeit durch verringern der Betriebsspannung realisiert werden). Aber auch die mechanische Belastung hat einen Einfluß auf die Drehgeschwindigkeit. Deshalb ist diese Antriebsvariante hauptsächlich für die visuelle Beobachtung geeignet.
Wenn man sich nun überlegt, mit welch geringer Geschwindigkeit die Rektaszensions-Achse dreht, dann wird für den Praktiker ein mechanisches Problem deutlich. Es muß eine extrem starke Untersetzung realisiert werden ohne dabei zu viel mechanisches Spiel (Reaktionsverzögerung bei Wechsel der Drehrichtung) einzubauen.

Dies sind zwei Gleichstrommotore aus meiner "langjährigen Sammlung". Interessant ist der linke Motor, da er schon ein Untersetzungsgetriebe hat. Diesen habe ich in einem Spielzeug gefunden und er ist erstaunlich robust.
 
 

Der Schrittmotor.

Bei käuflichen Telskopen und Montierungen liest man oft, daß die Geräte einen „Schrittmotor-Antrieb“ besitzen. Was aber ist eigentlich ein Schrittmotor ? Das ist eigentlich gar nicht so schwer zu verstehen und soll deshalb hier kurz erklärt werden.

Wir stellen uns folgenden Versuch vor, oder führen ihn evtl. gleich durch:
Man legt einen Stabmagneten so neben einen Kompaß, daß einer seiner Pole zum Kompaß hin zeigt. Die Kompaßnadel wird sich zum Magneten hin ausrichten. Schiebt man nun den Magneten ein Stück um den Kompaß herum, so folgt die Nadel dieser Bewegung. Dies kann man rund um den Kompaß fortsetzen und die Nadel wird dieser Bewegung immer folgen. Das liegt am Magnetfeld, dessen Richtung zum Magneten hin zeigt und nach dem sich die Nadel ausrichtet. Ersetzt man nun den Dauermagneten durch mehrere Elektromagnete die um den Kompaß herum angeordnet sind, so kann man durch geeignetes Ein- und Ausschalten das Magnetfeld von einem zum anderen Magneten wandern lassen (wie durch das Verschieben des Dauermagneten). Die Nadel wird auch jetzt dem „wandernden“ Magnetfeld folgen. Damit haben wir schon einen einfachen Schrittmotor gebaut.
Einen wesentlichen Vorteil des Schrittmotors können wir jetzt schon erkennen:
Er folgt auch bei langsamer Drehzahl immer genau dem Magnetfeld und damit der Geschwindigkeit, die von der Steuerung vorgegeben wird (solange die Belastung nicht zu groß wird). Aus diesem Grund sind diese Motore für unsere Zwecke so gut einsetzbar.

Die Wicklungen der Elektromagnete im Schrittmotor nennt man auch Stränge und diese werden von der Steuerung automatisch in der richtigen Reihenfolge und mit der richtigen Geschwindigkeit nicht nur ein-/ und ausgeschaltet, sondern in der Stromrichtung umgepolt. Dieses „Umpolen“ bringt uns zu einem wichtigen Unterscheidungsmerkmal zwischen zwei Gruppen von Schrittmotoren, den Bipolar- und den Unipolar-Schrittmotoren. Beim Unipolar-Schrittmotor wird das Umpolen dadurch realisiert, dass die Wicklung in der Mitte eine Anzapfung hat die auf festes Potential gelegt ist, nehmen wir hier mal an auf Plus. Nun kann man die Magnetfeld-Richtung dadurch ändern, daß man einmal das eine und andernfalls das andere Ende der Wicklung auf Minus legt. Dabei wird nur immer eine Hälfte der Wicklung vom Strom durchflossen, was aber bei richtiger Dimensionierung der Wicklung kein Nachteil ist. Für diese Art der Steuerung benötigt der Motortreiber jeweils zwei Transistoren pro Wicklung (Strang). Beim Bipolar- Schrittmotor wird das Umpolen anders realisiert. Bei diesen Motoren fehlt die Anzapfung in Spulenmitte und deshalb müssen an jedem Ende der Wicklung sowohl ein Transistor nach Plus als auch einer nach Minus liegen (deshalb „bipolar“). Es sind also vier Transistoren pro Wicklung nötig. Wenn am einen Ende der Transistor nach Plus durchgeschaltet ist, so muss am anderen Ende der Transistor nach Minus durchgeschaltet werden beziehungsweise umgekehrt. Diese Transistor- Anordnung nennt man auch „Brücken-Endstufe“. Aus diesen Zusammenhängen kann man ersehen, daß man zwar einen Unipolar-Schrittmotor mit einer Bipolar- Steuerung betreiben kann indem man die Anzapfungen ignoriert, der umgekehrte Fall aber nicht möglich ist.

Ein Nachteil des Schrittmotors ist, daß er auch im Stillstand Strom verbraucht (z.B. beim Deklinations-Antrieb). Dieser „Stillstandsstrom“ hält ein definiertes Magnetfeld aufrecht, welches für das „Haltemoment“ verantwortlich ist. Manche Steuerungen senken im Stillstand den Motorstrom ab um Batterieladung zu sparen.
Ein anderer Nachteil ist die nicht sehr hohe Maximalgeschwindigkeit. Bei einfachen Steuerungen wird der Motor im Schnellgang direkt mit einer höheren Taktrate angesteuert. Dies funktioniert aber nur für eine begrezte Geschwindigkeit, da der Motor ansonsten durch die Massen im System Schritte überschlägt und im Extremfall einfach unter Abgabe unangenehmer Geräusche stehen bleibt. Diese Geschwindigkeitsgrenze kann man aber deutlich nach oben schieben, in dem man den Motor nicht plötzlich mit der höheren Taktrate ansteuert, sondern den Übergang kontinuierlich gestaltet. Wegen des langsam ansteigenden Geschwindigkeits-Profils nennt man dies dann auch Rampen-Betrieb. Erhöht man jetzt die Taktrate weiter, so Schlägt ein anderer Effekt zu: Die Induktivität der Motorwicklungen. Diese Induktivität führt dazu, daß bei höherer Taktfrequenz immer weniger Strom durch die Wicklungen fließt und damit auch das Drehmoment abnimmt. Steuerungen, die auch das Letzte aus einem Schrittmotor rauskitzeln, erhöhen deshalb bei höheren Geschwindigkeiten die Betriebsspannung des Motors.

Was jetzt noch fehlt ist die Erklärung von Voll-, Halb- und Mikroschritt-Betrieb. Erinnern wir uns dazu an den oben beschriebenen Versuch:
Wenn wir nacheinander den nächsten E-Magnet ein- und den vorherigen Magnet ausschalten, dann folgt die Kompassnadel dem Magnetfeld in ganzen Schritten (jeweils Abstand der Magnete), d.h. also Vollschritt-Betrieb.
Läßt man aber beim Einschalten des nächsten Magneten den Vorherigen eingeschaltet, so stellt sich die Nadel in die Mitte zwischen die Magnete, sie macht also einen halben Schritt. Später, beim Ausschalten des vorherigen Magneten, macht sie dann den zweiten halben Schritt auf die nächste ganze Position. Es ist also möglich durch geschicktes Ein- und Ausschalten die Winkelauflösung eines Schrittmotors zu verdoppeln, eben im Halbschritt-Betrieb.
Im Mikroschritt-Betrieb wird dieses Prinzip nun auf die Spitze getrieben. Beim umschalten auf den nächsten Magneten wird der vorherige langsam ausgeschaltet wärend der nächste langsam eingeschaltet wird. Die Nadel durchläuft somit kontinuierlich alle Zwischenpositionen. Eigentlich hat ein Schrittmotor im Mikroschritt-Betrieb seinen Namen also garnicht verdient :-)

Hier sind verschiedene Schrittmotore zu sehen.
Unten rechts: Schreib- Lesekopfantrieb aus einem 5,25" Diskettenlaufwerk
Oben rechts: Druckkopfantrieb aus einem Nadeldrucker. Dies ist schon ein kräftiger Brummer, braucht aber auch einiges an Strangstrom.
Oben links  : Aus der Restpostenliste von Conrad-Elektronik. Die dazugehörige Elektronik stellt schon einen vollwertigen Ra-Antrieb dar.
 
 

Der Synchronmotor.

Früher wurden oft Synchronmotoren für die Teleskop- Nachführung eingesetzt. Diese hatten den Vorteil, daß sie ohne aufwendige elektronische Steuerung eine konstante Drehzahl lieferten welche durch die Frequenz des Wechselstromnetzes bestimmt wurde. Hier sieht man aber auch gleich die Nachteile dieses Motortyps:
Die Motoren wurden mit Netzspannung betrieben, was besonders bei Feuchtigkeit (Tau) ein nicht zu unterschätzendes Sicherheitsrisiko darstellt. Weil immer eine Netz- Steckdose in Reichweite sein mußte konnte von Mobilität keine Rede sein. Da die Motordrehzahl von der Netzfrequenz abhing war nur eine feste Nachführgeschwindigkeit realisierbar (es ist zwar mit viel Aufwand auch möglich elektronische Steuerungen zu realisieren, aber das Manko der hohen Spannung bleibt).
Wegen dieser gravierenden Nachteile wird der Synchronmotor in der Amateur- Astronomie heutzutage nicht mehr eingesetzt.

Dieser Synchronmotor stammt aus einem Heizungsmischer und ist schon alleine wegen dem Untersetzungsgetriebe interessant. Er hat vier Anschlüsse, da er für den Mischer rechts- und linkherum drehen können mußte. Er wäre evtl. für unsere Zwecke einsetzbar, da die Betriebsspannung nur 24Volt beträgt, er wurde also über einen Trafo betrieben. Es bleibt aber das Manko der schlechten Regelbarkeit.
 

Der Servomotor.

Bei modernen, schnellen GOTO- Systemen werden Servomotoren eingesetzt. Diese ermöglichen schnelle Teleskopbewegungen und eine trotzdem präzise Nachführung. Bei diesen Motoren handelt es sich um hochwertige Gleichstrommotoren die durch eine Regel- Elektronik  in einer „Regelschleife“ betrieben werden. Dies bedeutet, daß sich am Motor ein Sensor befindet, der die Drehzahl des Motors sehr präzise mißt. Diese „Ist- Drehzahl“ wird nun von der Elektronik mit der „Soll- Drehzahl“ verglichen und eine eventuelle Abweichung wird vom Motor sofort ausgeregelt. Dieses Antriebsverfahren stellt zur Zeit den „Stand der Technik“ dar und bleibt deshalb für Eigenbauten ein paar wenigen „Spezialisten“ vorbehalten.

Hierzu habe ich kein Bild reingestellt, da der Motor selber ja nur ein Gleichstrommotor ist und er nur durch den elektronischen Regelkreis zum Servomotor wird. Für schnelle Servosysteme werden natürlich auch spezielle Gleichstrommotore eingesetzt, die deshalb auch diese Bezeichnung tragen.
 
 
 
 

Ein paar Beispiele für elektronische Steuerungen :
 

Einfache Steuerung für Gleichstrommotor:

Der LM317 ist im Prinzip ein Festspannungsregler für 1,2V Ausgangsspannung. Wenn man nun in gezeigter Weise am Ausgang einen Spannungsteiler anbaut, dann kann man somit die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert einstellen (min. 1,2V). In dieser Schaltung habe ich den Widerstand vom Ausgang zum Adjust-Eingang auf 1,2 kOhm dimensioniert, somit ergibt sich eine Ausgangsspannung von 1V pro 1 kOhm (gerechnet über den gesamten Spannungsteiler). Das Poti läßt sich von 0 Ohm bis 2,2 kOhm verstellen. Dazu kommt der Festwiderstand von 3,9 kOhm. Daraus resultiert ein einstellbarer Spannungsbereich von min. 1,2V + 3,9V = 5,1V, bis max. 1,2V + 3,9V + 2,2V = 7,3V. Zu erwähnen wäre noch, daß die maximale Verlustleistung des Regler-IC's nicht überschritten werden darf, bei etwas größeren Motoren sollte auch eine Kühlfläche für das IC vorgesehen werden.
Für die visuelle Beobachtung mit kleineren Geräten (z.B. Russentonne) reicht ein Gleichstrom-Antrieb mit einer solchen Steuerung vollkommen aus.
 
 

Schrittmotor-Ansteuerung über den Printerport des PC's:

Mit dieser Schaltung kann ein Schrittmotor direkt über zwei Bits eines PC-Printerports gesteuert werden. Der obere Eingang bestimmt die Drehrichtung und ein Impuls am unteren Eingang löst einen Schritt aus. Der Motor muß ein unipolar-Typ sein, d.h. mit Mittelanzapfungen der Wicklungen welche auf +12V gelegt werden müssen. Mit dieser Schaltung kann man nicht nur eine PC-Teleskopsteuerung realisieren, sondern auch andere Spielereinen durchführen (ich habe mit mehreren dieser Schaltungen schonmal einen Plotter sowie einen kleinen Roboter betrieben).
 
 

Einfacher Ra-Antrieb mit Schrittmotor:

Bei dieser Schaltung wurde bewußt auf ein spezielles IC für die Ansteuerung des Motors verzichtet. Genau diese Schaltung ist auf dem Beispielbild für die Schrittmotore zu sehen (oben, 2. Bild der Seite). Sie betreibt den runden, flachen Schrittmotor aus einem Conrad-Restposten. Der Motor muß ebenfalls ein unipolar-Typ sein, d.h. mit Mittelanzapfungen der Wicklungen welche auf +12V gelegt werden müssen. Die mit "A" und "B" bezeichneten Brücken können durch Taster realisiert werden und ermöglichen eine schnellere und langsamere Schrittfrequenz. Mit den durch "C" und "D" bezeichneten Brücken wird die Drehrichtung festgelegt (evtl. Nord / Süd -Umschaltung), dabei muß eine der beiden Verbindungen geschlossen sein. Der Wert des Kondensators ganz links (hier 100p) muß natürlich an die nötige Taktrate angepasst werden. Bei Poti-Mittelstellung soll die Nachführgeschwindigkeit den richtigen Wert haben. Der Kondensator sollte ein Wickeltyp sein (z.B. MKC, MKT, ...), damit er einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat (wir wollen ja kein Thermometer bauen :-)
 
 
 
 

Jetzt wird's mechanisch:   Das Untersetzungsgetriebe:
 

Da ich aus der Elektro-Ecke komme erheben die folgenden Ausführungen keinen Anspruch auf Vollständigkeit und letzte Weisheit. Trotzdem möchte ich das, was mir dazu so einfällt hier weitergeben. Der Absatz wird aber wohl etwas kürzer ausfallen :-)

Wie oben im Kapittel "Der ungeregelte Gleichstrommotor" schon angesprochen wurde, haben die dem Amateur zugänglichen Elektromotore alle eine zu hohe Drehgeschwindigkeit. Diese muß also durch ein mechanisches Getriebe erheblich untersetzt werden um auf die erforderliche Drehung von 360° auf etwa 24 Stunden zu kommen (Ra-Achse). Die Anforderungen an ein solches Untersetzungsgetriebe hängen wie so Vieles von dem ab, was man mit Fernrohr und Montierung anstellen möchte.
 
 

Schneckenrad und Schnecke.

In fast allen käuflichen Montierungen arbeiten zumindest in der Ra-Achse ein Schneckenrad mit Schnecke als letzte Untersetzungsstufe. Der Vorteil einer solchen Untersetzung ist einmal die Selbsthemmung und darüber hinaus lassen sich so sehr präzise Antriebe realisieren. Für Montierungen zur Astrofotografie mit langen Brennweiten ist eine Präzision erforderlich, die deutlich über der von normalen Maschinenbau-Teilen liegt, was auch die nicht unerheblichen Preise für solche Komponenten erklärt. Ein Eigenbau einer solchen Montierung kommt deshalb wohl nur für den ambitionierten Selbstbauer in Frage und ist vom Kosten-Gesichtspunkt her zumindest fraglich. Wer jedoch das Glück hat, ein Schneckengetriebe oder die passenden Komponenten preiswert bekommen zu können (Flohmarkt, Schrottplatz oder Surplus-Händler) der könnte einen Eigenbau in Betracht ziehen. Man sollte sich aber im Klaren darüber sein, daß Teile vom Flohmarkt wohl nicht die Präzision von speziell für Fernrohrmontierungen gefertigten erreichen werden.
 
 

Tangentialarm.

Für die Deklinations-Einstellung, nicht nur von Eigenbau-Montierungen, wird gerne der Tangentialarm-Antrieb eingesetzt. Bei diesen Montierungen kann die Dec.-Achse über einen Ausleger mit einem Gewinde in einem begrezten Bereich gedreht werden. Für die grobe Voreinstellung ist vorher eine Klemmung zwischen Tangentialarm und Achse zu lösen und die Tangential-Verstellung sollte dabei etwa auf Mitte des Verstellbereichs stehen. Es ist also nur eine Feinjustage über einige Grad möglich.
 
 

Der Reibrad-Antrieb (Friktionsantrieb).

Für den Eigenbau von kleineren Montierungen, besonders für die visuelle Beobachtung, eignet sich der Reibrad-Antrieb. Die nötigen Teile kann man sich oftmals mit "Haushaltsmitteln" selber herstellen oder im Baumarkt bekommen. Auf meiner Seite zur Russentonnen-Montierung auf dieser Homepage findet man ein Beispiel für ein solches Projekt. Aber auch zum Nachführen eines größeren Teleskops ist diese Technik mit Einschränkungen geeignet. Die meisten motorisierten Dobson-Teleskope sowie Nachführ-Plattformen arbeiten mit diesem Prinzip. Ein großer Vorteil eines solchen Antriebs ist die spielfreie Kraftübertragung. Dies ist vor Allem bei den letzten Untersetzungs-Stufen wichtig, da es dort lange dauern würde, ein mögliches Spiel zu durchlaufen. Man kombiniert daher normalerweise ein Zahnrad-Getriebe mit Friktions-Untersetzungen in der oder den letzten Stufe/n.

Tip:
Die runde Scheibe für meine Russentonnen-Montierung habe ich, mit einem Nagel als Achse, auf der einen Seite einer Workmate-Werkbank drehbar befestigt. Auf die andere Seite habe ich eine Handbohrmaschine mit Schleifteller festgespannt. Durch drehen der Scheibe und beistellen des Vorschubs an der Workmate kann man die Holzscheibe prima rund und auf Maß schleifen.
 
 
 

info@astrofun.net