本帖最后由 tianyuan08 于 2020-3-16 23:36 编辑
天文爱好初学者一枚，有一个晶华的JE100A赤道仪，102普消，某夜观测猎户座星云用相机曝光2秒排到了M42，无奈没有电跟系统，无法长时曝光，某宝看了看一个JE100A电跟竟然要680，性价比极低，于是萌生了自制电跟的想法。看了好多帖子关于如何制作电跟，但是细节比较少，打算把制作电跟的基础讲一下，大神轻拍！
1. 器材
从某宝购置4件：（1）42步进电机，扭矩0.25NM，电流1A，步距角1.8度；（2）Arduino开发板，国产的UNO R3；（3）TB6600升级版步进电机驱动器；（4）12V锂电池，18650电芯，公母双出D头；（5）0.5模45不锈钢20齿，0.5模铝合金80齿，齿比1：4；
2. 计算
（1）力矩问题，电机扭矩最大0.28NM，0.5模20齿的齿轮半径大约0.005m，则在齿轮圆周上的最大受力为0.28/0.005=56N，电机齿轮与赤经蜗杆上装的齿轮齿比是1比4，赤经蜗杆齿轮半径大约0.02m，也就是说赤经蜗杆扭矩1.12NM以下，电机还能转得动。现在需要算一下，装上主镜后，转动赤经时赤经蜗杆扭矩是多少，例如我的主镜为3kg，重力是30N，主镜的重心到与赤经蜗杆连接的极轴齿轮距离假设0.3m，那么转动主镜所需扭矩就是9NM。赤经蜗杆的传动比是多少我不清楚，猜测难道是1比144？因为蜗杆转144圈，赤经才能转1圈，如果是1比144，那赤经蜗杆所需扭矩就小的不能再小了，才0.0625NM，再通过赤经蜗杆齿轮传递到电机，电机轴扭矩只要达到0.016NM，就转起来了，哪怕考虑到各种连接的传动效率，实际电机所需输出扭矩也远小于0.28NM，所以42步进电机的力量绝对够用。
（2）电机脉冲数，JE100A的赤经齿数为144，赤经刻度盘刻度数为24*6=144个刻度，简单的测试了一下，当我转动赤经微调一周时，刻度盘上刚好转过一个刻度，也就是说144齿无误。地球一天24小时，1440分钟，分解到刻度盘上，就是10分钟一个刻度，地球每小时15度，则每个刻度是2.5度，也就是说赤经轴转360度，刚好能抵消地球自转10分钟。现在就知道了，我们需要让赤经轴以每10分钟转360度运行。在齿比是1：4的情况下，赤经轴转1周，电机上的齿轮需要转4周，也就是说每10分钟电机转4周即可。步距角1.8度情况下，42步进电机需要200步转360度，600秒（10分钟）转4周需要800步，则每秒1.33333333步，也就是频率为1.333333HZ，周期为0.75s。这种转法行不行？行，问题就是震动有点点大，如果要减小电机的震动，则必须细分。我目前选择的是8倍细分，也就是步进电机1600步才能转一周，此时600秒走过6400步，频率为10.666666666HZ，周期为0.09375s，这时候步进电机的转动会平稳很多，没有突突突的感觉了！
3. 调试
（1）接线，将步进电机的A+ A- B+ B-四根线接入TB6600（TB6600上有标注），此时电机的控制将由驱动器完成，我们不需要写程序分别控制电流输出到电机，所以只需要负责脉冲信号即可。在Arduino开发板上，选择可输出脉冲信号的口，比如我的UNO R3上3、5、6、9、10、11是可以输出脉冲信号的端口（开发板上可以看出来，端口号旁边有个~符号），随便选一个端口，将线接入TB6600驱动器的PUL+，再将TB6600驱动器上的PUL-接入Arduino板上的GND。TB6600的细分在外壳上也有说明，根据说明将上面的开关调整合适即可！另外注意电流的设置！
（2）程序控制
Arduino开发板的开发非常简单，步进电机的控制程序用几行代码也就搞出来了，Arduino怎么配置我就不多说了，网上资料很多，无非就是先装个CH340 USB转串口驱动，再把开发板连到电脑上，下载一个Arduino的IDE（集成开发环境），就能用了！Arduino的IDE进去以后，大家会看到两个函数：setup和loop。setup是开发板通电后，只会运行一次，一般用来设置一些环境和变量，而loop其实就是程序的一个死循环，我们需要在setup里设置端口输入输出，在loop里写脉冲发送，一个简单的程序如下：
//在setup里设置脉冲输出为开发板的D9
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(9, OUTPUT); //在这里指定开发板上的D9为输出信号端口
}
//将电机控制写loop函数里，loop函数里的内容会一直执行下去
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
for(int i=0; i<6400; i++)
{
digitalWrite(9, HIGH); //给D9一个高电平
delay(46); //延迟46ms
delayMicroseconds(875); //延迟0.875ms，delayMicroseconds是以微妙为单位，875微妙刚好0.875ms
digitalWrite(9, LOW); //给D9一个低电平
delay(46); //延迟46ms
delayMicroseconds(875); //延迟0.875ms
}
}
当arduino执行上面的程序时，会不断的执行loop里面的循环，每次loop的时候，都要循环6400次（前面讲过了），每次循环先给D9一个高电平，持续46.875ms，再给一个低电平，持续46.875ms，相当于6400个周期的方波信号，一个周期为93.75ms（和前面讲的一致），6400个周期总共需要6400*0.09375s=600s。此时，电机将以10分钟4周的方式工作（我在电机上做了标记测算过，基本准确）。
（3）扩展
前面只用到了TB6600的PUL，另外两个也很重要，ENA使能和DIR方向，ENA是是否为电机上电，DIR是控制电机转动的方向。我将ENA+和DIR+分别接入了D11和D10，ENA-和DIR-也接入了GND。DIR+给高电平时，电机将正向旋转，低电平为逆向旋转。特别注意这个ENA+，ENA+给高电平时电机不通电，此时可以随意转动电机轴，ENA+给低电平时电机通电，电机轴转不动。此时如何控制ENA和DIR呢？这就需要用外部触发了，也就是Arduino的外部中断，UNO R3只有两个外部中断输入口，D2和D3，当使用外部中断的时候，需要把D2和D3设置成上拉电阻模式（D2,D3持续高电平），然后在arduino里设置两个中断函数，分别在下降沿触发，一个用于控制ENA，一个用于控制DIR。随便写了个示例程序如下：
//宏定义，学过编程都知道，没学过你只要知道后面看到ENA，全部被11替换
#define ENA 11
#define DIR 10
#define PUL 9
#define ENA_INT 2
#define DIR_INT 3
//定义了两个全局变量，用于保存ENA和DIR状态，HIGH=1，LOW=0
char ENA_STATE = HIGH;
char DIR_STATE = LOW;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(ENA, OUTPUT); //设置D11为ENA控制信号输出
pinMode(DIR, OUTPUT); //设置D10为DIR控制信号输出
pinMode(PUL, OUTPUT);
pinMode(ENA_INT, INPUT_PULLUP); //设置D2为上拉电阻状态，持续等于1
pinMode(DIR_INT, INPUT_PULLUP); //设置D3为上拉电阻状态，持续等于1
attachInterrupt(0, ena_blink, FALLING); //注册中断0（对应D2）为下降沿触发，参数2为中断服务函数，参数参说明为下降沿触发
attachInterrupt(1, dir_blink, FALLING); //注册中断1（对应D3）为下降沿触发，参数2为中断服务函数，参数参说明为下降沿触发
digitalWrite(ENA, ENA_STATE); //给ENA一个HIGH信号，进入LOOP函数时电机不上电
digitalWrite(DIR, DIR_STATE); //指定一个方向
}
//ENA的中断服务函数，当D2出现一个下降沿时，将触发此函数
//函数里判断了ENA状态，如果时HIGH则转LOW同时改变信号，如果时LOW则转HIGH
void ena_blink()
{
if(ENA_STATE==HIGH)
{
ENA_STATE = LOW;
digitalWrite(ENA, ENA_STATE);
}
else
{
ENA_STATE = HIGH;
digitalWrite(ENA, ENA_STATE);
}
}
//方向控制的中断服务函数，同理ENA中断服务
void dir_blink()
{
if(DIR_STATE==HIGH)
{
DIR_STATE = LOW;
digitalWrite(DIR, DIR_STATE);
}
else
{
DIR_STATE = HIGH;
digitalWrite(DIR, DIR_STATE);
}
}
//LOOP还是以前的电机控制部分
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
for(int i=0; i<200; i++)
{
digitalWrite(PUL, HIGH);
delayMicroseconds(1000);
//delay(150);
digitalWrite(PUL, LOW);
//delay(150);
delayMicroseconds(1000);
}
}
当讲上面的程序烧入arduino开发板后，电机开始是不会转动的，此时需要用我图中预留出来的那根绿色的线，去桶一下D2口，由于绿色线接地，所以D2马上会从高电平转低电平，此时出现一个下降沿，D2对应的ENA中断就会启动，改变了ENA信号
(4) 补充：
听取专家的建议，用时间中断代替了delay函数，重新写的代码如下：
char toggle = LOW; //用来作为标志
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(9, OUTPUT);
cli();
TCCR1A = 0; //使用TIMER1
TCCR1B = 0;
TCNT1 = 0; //计数器清0
OCR1A = 1464; //比较寄存器的值1464=16000000HZ/256/42.67HZ-1
TCCR1B |= (1 << WGM12); //CTC模式，比较计数器和比较寄存器的值相等则产生中断
TCCR1B |= (1 << CS12); //预分频256
TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); //中断
sei();
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
toggle = !toggle; digitalWrite(9, toggle);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
}
最后：
上架还没搞完，先发点基础的内容，欢迎大家共同交流！
更新
上架了，测量孔位真是麻烦，不在同一个平面，最后发现齿轮装上去，大的齿轮根本不平，咬合问题很大，最后换成同步带轮，毕竟同步带轮的容错率高啊
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置顶卡
变色卡
千斤顶
显身卡
。另外力矩计算哪里错了？还请指教