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Teil 5: Die Welt bewegen - mit Motoren

Die Welt regeln und steuern


Analoge Signale lesen, die Helligkeit einer LED steuern oder etwas blinken lassen macht Spaß. Aber richtig spannend wird es, wenn wir Dinge dazu bringen, sich zu bewegen. Also steuern wir doch einfach einen Motor an!

In dieser Artikelreihe beschäftigen wir uns seit einigen Monaten mit Mikrocontrollern der „kleinen“ PIC-Reihen der Firma Microchip Ltd., bisher (und auch in diesem Teil der Reihe) vor allem mit dem Mikrocontroller PIC 18F25K50, der für viele Zwecke ein gutes Anschauungsobjekt darstellt. Die Firma Microchip ist ein Big Player im Geschäft mit Mikrocontrollern. Bereits die kleinen PIC-Mikrocontroller der PIC-16F- und PIC-18F-Reihen sind seit langer Zeit große Erfolge. Auch die größeren PIC-Mikrocontroller (z. B. die 32-Bit-Reihen) sind natürlich großartig, realisieren aber eine gänzlich andere Architektur und sind nicht kompatibel zu den minimalistischen, günstigen, kleinen Mikrocontrollern, die wir hier betrachten.

Spätestens seitdem Microchip vor etwas mehr als einem Jahr die Firma Atmel und damit deren vor allem bei Hobbyentwicklern extrem beliebte AVR-Mikrocontroller der Serien ATtiny und ATmega übernommen hat, ist dieses Unternehmen auch denjenigen ein Begriff, die sich nicht hauptberuflich mit Mikrocontrollern beschäftigen.

Das Unternehmen hat mehrfach öffentlich betont, sowohl die PIC-16F- und PIC-18F-Reihen als auch die Reihen ATtiny und ATmega fortführen zu wollen. Und bisher sieht auch alles danach aus, dass zwar die Entwicklungen gebündelt werden und die Technologien vor allem in Bezug auf die Peripheriemodule zusammenrücken, aber eben tatsächlich alles mit unverminderter Entwicklungsgeschwindigkeit weitergeht. Das ist für uns Entwickler eine sehr gute Nachricht: Zwar bleiben die Kerne der kleinen AVR-Mikrocontroller und der kleinen PIC-Mikrocontroller zueinander inkompatibel; aber wer die Peripherie der einen Welt verstanden hat, wird sein Wissen künftig leichter in die andere Welt transferieren können als bisher. Diese Artikelserie, die eigentlich nur als Gegenentwurf zu den in Hobbykreisen überall anzutreffenden Arduino Boards auf AVR-Basis zeigen sollte, wie man derartige Aufgaben auch direkt und ohne Arduinos erledigen kann, erhält somit sogar noch weitreichenderen Nutzen als ursprünglich geplant.

Bewegung tut gut

Aber zurück zum Thema: Wir haben mittlerweile eine Entwicklungsumgebung eingerichtet, können Mikrocontroller direkt in der Zielschaltung neu programmieren, haben LEDs blinken lassen, analoge Stellungswerte von Potenziometern gelesen und in digitale Werte umgewandelt und schließlich die Helligkeit von LEDs durch PWM-Signale gesteuert. Und das alles in Assembler und C. Das ist nicht schlecht. Und jedes Thema für sich ist sehr spannend – und natürlich auch tiefgreifender als in den bisherigen Teilen beschrieben wurde. Aber das alles ist nur die Vorbereitung auf die ganz knackigen Sachen: Wir haben nun das Rüstzeug, um Dinge zu bewegen!

Bewegung klingt ja zunächst einmal total uninteressant. Man übt eine Kraft auf einen nicht befestigten ruhenden Körper aus, und dann bewegt der sich nun einmal. Wenn man die Reibung überwindet und sonst nichts dagegen spricht, kann man ihm einfach einen Schubs von einer Seite geben und er bewegt sich in die genau entgegengesetzte Richtung.

Ja, klar. Schön und gut. Aber das ist natürlich nicht das Thema, um das es hier geht. Wir reden davon, dass wir einen Motor ansteuern. Ein Motor ist ein Gerät, bei dem sich im Ergebnis in der Regel etwas dreht. Und diese Drehung kann man dann durch geschickte mechanische Konstruktionen in unterschiedliche andere Arten von Bewegung umwandeln und so ziemlich jede Art von Gerät, bei dem Bewegung erforderlich ist, damit bauen.

Wenn wir also Motoren ansteuern können, haben wir eine wesentliche Basis, um Maschinen wie Drucker, 3-D-Drucker, 2-D-Plotter, CNC-Fräsen, Roboterarme, Fahrzeuge, Boote oder so ziemlich jedes andere bewegliche Ding zu bauen. Ganz nebenbei: Wer da jetzt Roboterarmee gelesen hat, wird ziemlich enttäuscht sein. Mit dem hier vermittelten Wissen sind bestenfalls Roboterarme drin. Doch auch so ist all das Grund genug, sich mit diesem extrem spannenden Thema ausführlich zu beschäftigen.

Arten von Motoren

Es gibt verschiedene Arten von Motoren. Wir fangen mit den Basics an und unterscheiden zunächst einmal nur zwischen DC-Motoren und Schrittmotoren. Eigentlich ist die Bezeichnung DC-Motor etwas irreführend, denn auch Schrittmotoren werden natürlich genauso wie DC-Motoren mit Gleichstrom (DC = Direct Current = Gleichstrom) betrieben. Dennoch sind es sehr unterschiedliche Arten von Motoren.

Beide Arten von Motoren funktionieren durch elektro­magnetische Effekte. Es gibt Spulen, meist aus Kupfer und häufig mit einem Eisenkern, die ein Magnetfeld erzeugen, wenn sie von Strom durchflossen werden. Und es gibt Dauermagnete, die sich entlang dieser Magnetfelder ausrichten. Durch Änderungen des Stromflusses können die Magnetfelder kontrolliert verändert werden. Und die Dauermagnete passen sich diesen Veränderungen an. Bei geeigneter Beschaltung und Ansteuerung kann man so die Dauermagneten zu einer Rotationsbewegung bringen. In der Praxis können die Rollen auch mal vertauscht sein: Die Spulen sitzen auf einem beweglichen Teil und die Dauermagnete sind fixiert – das ist hier aber unerheblich. Es geht darum, das Funktionsprinzip zu verstehen. Das reicht nämlich bereits, um Motoren in der Praxis problemlos anwenden zu können.

Ein kleiner Hinweis muss aber noch ...

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