Bau einer astronomischen Teleskopmontierung mit Custom-Harmonic-Wave-Getrieben und ESP32
(svendewaerhert.com)- 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
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.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Es wird erklärt, dass das Kabel eines USB-C-Netzteils wie eine Induktivität wirkt, also zusammen mit einem LC-Filter wie ein Tiefpass arbeitet, weshalb Onboard-Kondensatoren nötig sind. Wenn der Motor kurzzeitig viel Strom zieht, kann wegen der Induktivität der Strom nicht sofort fließen, daher liefert zunächst der Kondensator den Strom und danach übernimmt die Induktivität allmählich die Stromversorgung.
Wirklich ein großartiges Projekt und eine tolle Erklärung, und das Timing ist perfekt. Seit dem Alter von 13 bin ich begeisterter Amateurastronom, habe mehrere Teleskope besessen und viele Stunden mit meiner Familie unter dem Nachthimmel verbracht. Kürzlich habe ich mein 10-Zoll-SCT und meinen 4-Zoll-Newton wieder hervorgeholt und meinem 7-jährigen Sohn den Mond und den Saturn gezeigt. Dass auch meine Eltern mitsehen konnten, war sehr bedeutungsvoll. Das 10-Zoll-SCT sitzt auf einer alten Gabelmontierung ohne GOTO-Funktion. Ich habe mich auch mit den Vorteilen von GOTO beschäftigt, aber wegen des Spaßes am eigenen Star-Hopping noch keines gekauft. Eine dedizierte Kühlkamera, die ZWO 585MC, habe ich allerdings schon angeschafft. Andererseits habe ich schon enorm viel Zeit beim Suchen von Objekten verloren. Ein Telrad allein reicht nicht aus, daher dachte ich auch darüber nach, mit meinem Wissen über 3D-Druck und Elektronik selbst eine Third-Party-Montierung zu bauen. Ich überlegte sogar, die Motoren auf NEMA-17-Steppermotoren umzurüsten. Bei dieser Suche stieß ich auf das Projekt PiFinder, das wie die perfekte Balance zwischen Automatisierung und manueller Führung wirkt https://www.pifinder.io/. Durch die Fortschritte bei 3D-Druck und PCB-Fertigung bin ich überzeugt, dass sich viele Probleme bald lösen lassen.
Zu den Leiterbahnen in diesem tollen Projekt nur ein Hinweis: Es heißt dort, die Bahnen seien für 24 V zu breit ausgelegt, aber tatsächlich sinkt bei höherer Spannung der Strom, sodass sie eher schmaler sein könnten. Die Leiterbahnbreite richtet sich nach dem Strom, während man bei höherer Spannung eher auf den Abstand zwischen den Leiterbahnen achten muss.
Zitat aus dem Blog: „Wenn das Teleskop zum Ziel bewegt wird, steigt die Anzahl der an den Motor gesendeten Pulse, und das kleine ESP32 wird überlastet.“ Ich habe ebenfalls mit präziser Hochgeschwindigkeitssteuerung von Steppermotoren zu tun, bei der selbst minimale Pulsausfälle oder Glitches unakzeptabel sind. Mit dem MCU-Kern stößt man an Grenzen, deshalb steuere ich das über Timer + DMA. Am Ende nutze ich die ACT-Funktion (Advanced Control Timer) eines STM32G4-MCU. Damit lassen sich beliebige Wellenformen allein über DMA leicht erzeugen, und selbst wenn der Kern überlastet ist oder schläft, bleibt der Timer unbeeinflusst. In letzter Zeit denke ich auch über das PIO des RP2350 nach. Das ESP32 hat zwar MCPWM, aber wenn man komplexe Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile zu 100 % kernfrei umsetzen will, muss man Timer kaskadieren oder Interrupts verwenden. Damit hängt es wieder vom Kern ab und es besteht Glitch-Gefahr. Die ACT von ST ist pro Motor ein unabhängiger Timer, daher ist die Implementierung einfach, wenn man das Datenblatt gut liest. Spezialisierte Treiber-ICs wie Trimanic wären ebenfalls eine Möglichkeit, aber die Softwarekomplexität wäre bei mir sogar höher als mit diesem Ansatz.
Ich nutze freeCAD seit drei Jahren und bin von den Ergebnissen dieses Projekts wirklich beeindruckt. Ich mag freeCAD, aber selten hat mich etwas zugleich so hartnäckig frustriert und genervt.
Ich interessiere mich sehr für Projekte, bei denen man mit einer Teleskopmontierung selbst Präzisionsmessungen macht, etwa eigenständig planetare Astrometrie. Nur mit eigenen Messungen Planetenbahnen zu bestimmen, fühlt sich an, als würde man den Weg alter Astronomen wie Kepler erneut beschreiten.
Wirklich ein tolles Projekt. Bei der PCB-Auslegung scheint es, als seien keine richtigen Kondensatoren, Widerstände usw. berücksichtigt worden und als sei die Stabilität des Mikrocontrollers nicht besonders hoch. Mich interessiert, wie andere entscheiden, welche Bauteile nötig sind, etwa Entkopplungskondensatoren. Liest man einfach das Datenblatt und übernimmt alles daraus?
Besonders beeindruckt hat mich, dass die CNC-Metallteile in Auftrag gegeben wurden. Ich bin selbst Anfänger im CAD-Design und würde das gern lernen.
Wirklich ein tolles Projekt. Ich frage mich, ob die PCB-Kosten vor allem durch die Bestückung entstehen. Platinen sind bei JLCPCB mit 2 Lagen, unter 100 mm, HASL-Finish und sonstigen Standardoptionen ja günstig. Entstehen Zusatzkosten durch die Slot-Öffnung für die USB-Steckerplatte? Wie viele Stück wurden pro Bestelllauf bestückt? Wie groß war der Anteil an Standard- gegenüber Extended-Library-Bauteilen? Wie stark hätte sich der Preis verändert, wenn man nur die Steckverbinder selbst gelötet hätte? Wenn auch nur ein Bauteil aus der erweiterten Bibliothek stammt, steigen dann die Pick-and-Place-Kosten für alle Bauteile einzeln, sodass das Minimieren der Bauteilvielfalt der wichtigste Hebel zur Kostensenkung ist?
Ein wirklich beeindruckendes Projekt. Ich wollte für mein Teleskop auch schon eine große Harmonic-Drive-Montierung kaufen, aber die Preise sind eine enorme Hürde. Ich habe EKOS/Kstars/INDI-Tools benutzt und dabei ebenfalls viel Lehrgeld gezahlt. Wenn man INDI-Geräte aus Python steuern will, habe ich dafür eigenen Code geschrieben https://github.com/dahlend/contindi