Bau einer astronomischen Teleskopmontierung mit Custom-Harmonic-Wave-Getrieben und ESP32

• Der Autor hat eine Custom-Teleskopmontierung mit Harmonic-Wave-Getrieben (Harmonic Drive) und einem ESP32-Mikrocontroller gebaut
• Da bestehende kommerzielle Tracking-Montierungen sehr teuer sind, entschied er sich für ein eigenes DIY-Design und den Selbstbau
• Der gesamte Entwicklungsprozess wird detailliert beschrieben, einschließlich PCB-Design und -Fertigung, 3D-Modellierung in FreeCAD und Auswahl der Komponenten
• Die Gesamtkosten liegen bei etwa 1.700 Euro; auf eine einzelne Einheit umgerechnet ist das Projekt gegenüber kommerziellen Produkten wettbewerbsfähig
• Durch die Integration der selbstgebauten Montierung mit der OnStepX-Firmware teilt der Autor praktische Erfahrungen zu Performance und Verbesserungen bei der Astrofotografie

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Ein neuer Ausgangspunkt

Vor einigen Jahren wurde der Autor durch einen YouTube-Kanal zur Astrofotografie inspiriert und begann, sich für Astrofotografie zu interessieren. Er versuchte, den Orionnebel zu fotografieren, indem er vom Stativ aus Hunderte von Aufnahmen mit kurzer Belichtungszeit machte und diese anschließend mit der Software Siril kombinierte. Dabei erkannte er jedoch die Notwendigkeit einer Nachführung. Zwar kaufte er einen Move Shoot Move-Tracker, doch die Schwierigkeiten beim Auffinden von Objekten, bei der Polausrichtung und die unbefriedigenden Ergebnisse führten dazu, dass er sich für den Bau einer ernsthafteren Teleskopmontierung zu interessieren begann.

Erweiterung der PCB-Erfahrung

2024 stieß der Autor zufällig auf YouTube-Videos zum individuellen PCB-Design und lernte, anstelle provisorischer Breadboards saubere und kostengünstige fertigbare PCBs zu verwenden. Als erstes Projekt baute er einen smarten Thermostat mit ESP32, e-paper-Display und BME680-Sensor. Auf Basis dieser Erfahrung entschied er, die PCB-Design- und Fertigungstechniken auch direkt auf seine Teleskopmontierung anzuwenden.

Intensive Recherche und Nutzung von Community-Ressourcen

Die Konstruktion wurde rund um den Einsatz von Harmonic Drive geplant. Unter Rückgriff auf Open-Source-Ressourcen von AliExpress und verschiedenen DIY-Communities (HEMY, HrEM, DHEM, DIY EQ Mount V2 usw.) investierte der Autor viel Zeit in die Untersuchung von Komponentenauswahl und mechanischem Aufbau. Er recherchierte zudem verschiedene Open-Source-Implementierungen und Community-Informationen zu Stepper-/Servomotoren, FOC-Steuerung, SimpleFOC und mehr.

Designentscheidungen und Aufbau

• RA-Achse (Rektaszensionsachse): 42AIM15-Servomotor + Harmonic Drive Typ 17 (100:1-Untersetzung)
• DEC-Achse (Deklination): MKS Servo042D-Stepper + Harmonic Drive Typ 14 (100:1-Untersetzung)
• Montierung und Gehäuse: Arca-Swiss-Platte, kompatibel mit dem Move Shoot Move-Wedge
• Betriebsmodi: GEM (äquatorial) oder ALTAZ (horizontal-vertikal)
• Mikrocontroller: ESP32-S3
• Stromversorgung: USB-C PD bis 24V/4A
• Motorsteuerung: step/dir/en, ULN2003 + MODBUS, CANBUS
• Erweiterbarkeit: verbleibende GPIO-Pins nach außen geführt

Durch die Mikrostep- und Servosteuerungseigenschaften der jeweiligen Motoren wurde das Design vereinfacht und die Tracking-Genauigkeit verbessert. Mithilfe dynamischer Änderung der Mikroschritte über CANBUS wurde ein Gleichgewicht zwischen schnellem Slew (Positionsfahrt) und präzisem Tracking erreicht.

PCB-Design und überwundene Probleme

• Entwurf eines halbkreisförmigen PCBs in KiCad, exakt passend für das Gehäuse
• Einsatz eines ESP32-S3-Moduls ohne Antenne für mehr Freiheit bei der Platzierung sowie einer USB-C-Stromeingangsschaltung (bis 24V)
• Verwendung der Open-Source-Schaltung PicoPD und des ICs AP33772. Mit Steckverbindern der JST-PH-Serie wurde eine kompakte Verbindung mit hoher Kapazität realisiert
• Beim ersten IC-Ersatz traten Fehler in der I2C-Verdrahtung und Fehlfunktionen auf; diese wurden in der zweiten Version durch Verifikation und zahlreiche zusätzliche Testpunkte behoben

Anbindung an die OnStepX-Firmware

Mit der Open-Source-OnStepX-Firmware unterstützt die Montierung Teleskopsteuerung und WiFi-Kommunikation. Anfangs gab es Stabilitätsprobleme, weil der ESP32 bei den ersten Slew-Bewegungen (schnelle Zielanfahrten) überlastet wurde. Das Problem wurde durch Reduzierung der Slew-Geschwindigkeit und Umstellung auf den WiFi-Client-Modus gelöst. Durch das Hinzufügen einer zu OnStepX passenden Pin-Layout-Datei und von Code für die dynamische Mikroschritt-Steuerung gelang die Integration ohne nennenswerte weitere Änderungen.

Fertigung und Montage

Sowohl die PCB-Fertigung als auch die CNC-Metallbearbeitung wurden bei JLCPCB durchgeführt. Ohne vorherige 3D-Drucktests bestellte der Autor die CNC-Teile direkt nur auf Basis der CAD-Zeichnungen – eine mutige Entscheidung, die zu einer zufriedenstellenden Bauteilpräzision führte. Allerdings gab es einen Designfehler bei der Kappe der RA-Achse, der sich mit Distanzstücken einfach beheben ließ. Alle Teile konnten allein durch M3-/M4-Gewinde und Verschraubung montiert werden. Durch manuelles Gewindeschneiden wurden die Fertigungskosten gesenkt.

Praxiserfahrungen im Einsatz

Durch zahlreiche Versuche und Irrtümer bei Polausrichtung, Setup und der Konfiguration der Software (INDI, KStars, Ekos, PHD2) sammelte der Autor umfassende Praxiserfahrung. Bei den ersten Einsätzen scheiterte die Aufnahme oft an größeren und kleineren Problemen, doch im Verlauf der Stabilisierung erreichte das System eine Genauigkeit von 1–2 Bogensekunden – ausreichend für 30-Sekunden-Belichtungen mit einem 600-mm-Objektiv. Für das Stacken der Bilder verwendet er Siril und verfolgt weitere Ziele wie Multi-Night-Stacking.

Herstellungskosten und Wirtschaftlichkeit

Die Gesamtkosten betragen etwa 1.700 Euro (= inklusive Werkzeug, Hardware und zusätzlicher Komponenten für Vorabforschung). Umgerechnet auf eine einzelne Einheit liegen die Kosten bei rund 800 Euro. Gegenüber kommerziellen GOTO-Montierungen (1.200–4.000 Euro) bestätigt sich damit eine hohe Wirtschaftlichkeit, auch wenn für den Autor die Erfahrung des Selbstbaus an sich noch bedeutsamer ist.

Einzelpreise wichtiger Positionen (Kurzüberblick)

• Harmonic Drives (2 Stück): 144 Euro
• MKS- und Servomotoren (je 2 Stück): 73–216 Euro
• CNC-Teile: 215 Euro
• PCB, Steckverbinder, Schrauben, Werkzeuge und Sonstiges

Fazit und Eindrücke

Der Autor betont, dass die Erfahrung des Selbstbaus, der Problemlösung und des gesamten Zyklus aus Design, Fertigung und Validierung mehr bedeutet als der Kauf eines kommerziellen Produkts. Aus dem Fehlschlag der Version-1-PCB lernte er, wie wichtig sorgfältige Verifikation ist. Er gewann vielfältige Erkenntnisse zu FreeCAD, KiCad, der Nutzung von Open Source und dem gesamten Hardware-Entwicklungsprozess. Dank der OnStepX-Firmware und Community-Ressourcen zeigt das Projekt, dass eine DIY-Teleskopmontierung auch für normale Anwender machbar ist.

Eine eigene Montierung zum Verfolgen der Sterne selbst zu bauen und vollständig zu verstehen – genau dieses Erfolgserlebnis ist der eigentliche Lohn.