Controllo motore per telescopio

Posseggo da molti anni un semplice ed economico telescopio newtoniano, il Konus Vega.
Lo specchio principale, parabolico, ha un diametro di 114 mm con lunghezza focale di 900 mm, che implica una luminosità di circa f/8. Gli oculari hanno un diametro di 21,4 mm e ne posseggo quattro, i due originali (di tipo Huygens da 6 e 20 mm di focale) ed altri due acquistati in seguito (un Koellner da 25 mm ed un Ortoscopico da 4 mm). Quelli acquistati dopo hanno una qualità nettamente superiore agli originali. Poiché l'ingrandimento in un telescopio (o cannocchiale o microscopio) è dato dal rapporto tra le lunghezze focali dell'obiettivo e dell'oculare, posso osservare a scelta a 36, 45, 150 o 225 ingrandimenti.
Questo telescopio è dotato di montatura equatoriale e treppiede in legno, ma manca purtroppo il cannocchiale polare ed il movimento orario in ascensione retta (AR). Visto che finora l'ho adoperato solo in estate ed esclusivamente per brevi osservazioni visuali della luna e dei principali pianeti, queste carenze si sono fatte sentire poco. Ma se si vuole osservare per molto tempo o ad alti ingrandimenti, e comunque per quasiasi attività un minimo seria, il movimento orario è assolutamente indispensabile.
L'estate scorsa ho pensato che avrei potuto costruire un simile sistema, utilizzando un microcontrollore Microchip PIC16F64A ed un motore passo-passo a bassa tensione. Dopo aver rimediato un po' di motori usati, ne ho scelto uno di dimensioni appropriate e con un movimento relativamente fine (7,5 gradi per passo).

I motori passo-passo

Esistono motori passo-passo di tipo unipolare e bipolare. Dirò qualcosa solo a proposito degli unipolari, perché sono più diffusi ed anche più facili da pilotare. Il motore ha quattro bobine, con tutti i poli positivi collegati insieme e quindi il motore normalmente si presenterà con 5 cavi di collegamento. Se colleghiamo a massa una delle bobine, il motore si muoverà per portarsi in una certa posizione. Disconnettendo la prima bobina ed alimentando la seconda, l'albero del motore ruoterà di un piccolo angolo (7,5 gradi nel mio caso). Proseguendo in questo modo con tutte e quattro le bobine e ripetendo poi all'infinito questo ciclo, potremo far ruotare il motore ad una velocità che dipende solo dal ritmo con cui passiamo da una bobina alla successiva.
Possiamo quindi controllare in modo molto preciso la velocità di rotazione e poi, siccome c'è sempre almeno una bobina alimentata, possiamo rimanere in una certa posizione anche in condizioni di carico meccanico. Per lo stesso motivo i motori passo-passo forniscono maggiore energia utile ai bassi regimi di rotazione. Inoltre non c'è bisogno di nessun altro componente se vogliamo invertire il senso della rotazione, visto che basterà fornire gli impulsi in ordine inverso.
Se chiamiamo Bobina 1 - Bobina 4, le quattro bobine del motore, nell'ordine in cui vanno alimentate, possiamo definire un ciclo con quattro tempi:

Lo schema precedente viene definito full step control perché avanziamo di una passo alla volta. Un altro schema possibile è quello definito half step control, laddove saranno alimentate anche due bobine contigue, in modo da posizionare il motore a metà strada tra due passi successivi. Si otterrà in questo modo un controllo più fine del posizionamento e della velocità di rotazione, ma si dovranno fornire gli impulsi ad una cadenza doppia, a parità di velocità. Nel mio caso ho ottenuto un movimento di 3,75 gradi per passo.

Come funziona

• Tre differenti velocità di inseguimento, per le stelle, la luna ed il sole
• Regolazione fine delle tre velocità, con memoria permanente dell'ultimo valore scelto
• Movimento rapido, con diverse velocità
• Pausa, per fermare il motore in modo semplice
• Rotazione inversa, sia a velocità normale, sia ad alta velocità
• Facilità di utilizzo

All'accensione il LED mostra attraverso il suo colore la velocità prescelta, quella che era attiva allo spegnimento: ROSSO per il sole, GIALLO per la luna e VERDE per le stelle (spero che la scelta dei colori la renda intuitiva). Inoltre il LED lampeggia lentamente per indicare che il motore è fermo (modo pausa).
In questo stato possiamo premere il pulsante destro per cambiare la velocità di base ed il pulsante sinistro per invertire il senso della rotazione. Il pulsante alto (verde) fa partire la rotazione, con il LED illuminato in modo continuo, mentre il pulsante basso (rosso) serve per memorizzare le variazioni fini di velocità, che si possono fare solo, ovviamente, con il motore attivo.
Durante il movimento del motore possiamo regolare in modo fine la velocità di inseguimento attraverso il pulsante sinistro ed il pulsante destro. Il pulsante alto blocca il motore, mentre il pulsante basso serve per attivare il movimento rapido, con il LEd che lampeggia velocemente.
Durante il movimento rapido (inizialmente a velocità doppia) possiamo usare il pulsante destro per raddoppiare ancora varie volte la velocità (4x, 8x, 16x, 32x, 64x) ed il pulsante sinistro per invertire la direzione (pausa automatica di circa 1 secondo per fermare il motore in modo appropriato). Il pulsante basso fa tornare al modo di inseguimento normale.
Tutti i comandi sono riassunti nella tabella seguente:

Conclusioni

Ho realizzato il circuito su una scheda millefori, all'interno di un contenitore plastico, con connettori per una batteria esterna (accumulatore al piombo da 12 V, 4 Ah) e per il motore passo-passo. L'accumulatore dovrebbe garantire circa 12 ore di inseguimento continuo, ovvero una notte intera di osservazioni. Comunque, siccome il circuito ed il motore funzionano a 12 Volt, si può anche collegare alla presa accendisigari dell'auto o ad un alimentatore da presa di rete.
Devo putroppo dire che, anche se la parte software del progetto funziona alla perfezione ed è molto facile da usare, non sono del tutto soddisfatto dei risultati ottenuti. Visto che non ho la minima esperienza di realizzazioni meccaniche, ho avuto infatti dei problemi nel collegare il motore alla montatura equatoriale. Ma il principale problema è stato un altro: con quella particolare montatura e quel motore, uno step di 3,75 gradi è molto più grande di quello che servirebbe per ottenere un movimento fluido.
Ad alti ingrandimento ho potuto persino constatare piccoli movimenti dei corpi celesti nell'oculare, per poi vederli tornare al punto di partenza in un attimo... Dovrò assolutamente aumentare la velocità di rotazione, interponendo una demoltiplica, oppure usare un motore diverso, mentre il software non sarà cambiato di molto perché è risultato essere affidabile e facile da usare.
Un altro modo di muovere un telescopio è utilizzando un motore sincrono in corrente continua, con segnale di ritorno (feedback) in modo da realizzare un controllo a ciclo chiuso (closed loop).
In ogni caso ho avuto la conferma, con l'occasione, di essere più portato per il software che per l'hardware...

Indice progetti PIC

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Sito di Vinicio Coletti

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