Automatización de una Losmandy GM-8

Introducción

La adquisición de imágenes a través de una CCD lleva, hoy en día, casi irremisiblemente, a la adquisición de un telescopio computerizado (lo que hoy se ha dado en llamar sistema GOTO). Desafortunadamente, el precio de un LX200 de 8" de Meade (menos de $2500 en USA) alcanza un precio realmente abusivo en nuestro pais (unas 900 mil pesetas), lo que lleva a buscar otra solucion.

Por otra parte, llevaba varios años siguiendo el proyecto de automatización de telescopios de Mel Bartels. Mel ha diseñado un software de control basado en la utilización del puerto paralelo del PC para generar las señales necesarias para controlar dos motores paso a paso. Mel ha diseñado también un sencillo hardware que, fundamentalmente, es una etapa de potencia para los motores. El sistema tiene mando de control (hand pad), entrada para autoguía, PEC, interface con encoders, emulación de protocolo LX200, modelado software de errores de la montura y una larga lista de funciones que se han ido añadiendo a lo largo de los años. El exito del sistema se apoya en dos puntos. Primero, la total parametrizacion del software, que permite adaptarlo a practicamente cualquier montura, ya sea dobson, ecuatorial o alemana y segundo, el diseño abierto del proyecto, Mel ofrece hardware y software (fuentes incluidos) de forma totalmente gratuita, su página contiene infinidad de información y existe una mailing list en la que tienen cabida problemas, mejoras, etc.

La montura GM-8

Una vez decidido que ese era el camino a seguir, había que seleccionar una montura. Como siempre he poseido monturas ecuatoriales alemanas, me dedidí por ese tipo. Sin embargo, pocas son las monturas capaces de soportar un 8", con una cámara CCD de adquisición, tubo guía y cámara CCD para autoguiado por un precio razonable.

Una de las mejores opciones es la montura americana GM8 de Losmandy. Mecánicamente está bien acabada, posee una rigidez notable y su presencia (junto con su hermana mayor G11) durante años en el mercado la avalan como una montura de calidad. La Losmandy GM8 es una montura ecuatorial de tipo aleman con coronas de 180 dientes y una carga máxima teórica de 30 lb (13 Kg).

La GM-8 se vende con dos motores de 24 pasos y reductora de 1:150. La electrónica es sencilla y tan solo permite seleccionar velocidades entre un 30% la velocidad de seguimiento (modo guide) o 32 veces dicha velocidad (menos de 0.2º /s). Incorpora PEC y compensación de backlash, pero no posee ningún tipo de interface que permita la automatización.

La electrónica original de Losmandy mueve los motores de medio en medio paso, lo que proporciona una resolución en seguimiento que podemos calcular facilmente como (segundos de arco en 360º)/(corona x reductora x numero de pasos x medios pasos), (180 x 120 x 24 x 2) = 1". Es decir, con esa electronica, el minimo angulo que se puede mover un eje de la montura es de 1 segundo de arco).

Si se decide utilizar la electrónica de Mel Bartels, se puede prescindir totalmente de la electrónica y motores originales y una buena opción es adquirir solo la montura, ahorrando cerca de un 25%. Esta solución tiene la desventaja de que si vamos a mover nuestra montura de lugar de observación, habremos de llevar el PC de control también con nosotros. Sin embargo, las ventajas son muchas, tendremos un telescopio con capacidad GOTO y velocidad de varios grados por segundo, un seguimiento mucho más suave y preciso, posibilidad de control desde el PC con cualquier programa planisferio, como Guide, TheSky, SkyMap, etc.

Selección de motores y caja reductora

A la hora de automatizar una montura, en lo referente al movimiento, hay que prestar atención a dos aspectos. Primero, la velocidad que se desea alcanzar en largos slews por el cielo (en grados/s), evidentemente, cuanto mayor sea este índice, mejor, más rápido se moverá nuestro telescopio entre objetos.

A favor de esa velocidad de slew, apunta el colocar una caja reductora con baja relación de reducción. Sin embargo, no se puede colocar una relación demasiado baja, puesto que entonces la precisión del seguimiento se verá penalizada.

Segundo, resolución en seguimiento, expresa la mínima unidad angular que podemos mover el telescopio. La electrónica original de Losmandy mueve los motores de medio en medio paso lo que lleva a una resolución angular de 1" de arco. Los micropasos permiten mover el eje del motor solo una fracción de paso, usualmente 1/20 de paso, ese control de movimiento es 10 veces más fino que lo que hace Losmandy con su electrónica. Con el sistema de Mel y la técnica de los micropasos, es usual alcanzar resoluciones del orden de 0.1".. Esto justifica que el seguimiento con el sistema de Mel sea mucho más preciso y suave que con la electrónica original de Losmandy.

¿Se pueden aprovechar los motores de Losmandy?

Pues, depende. Los motores originales de la GM-8 son motores de la marca Hurst con pocos pasos (24) pero con una alta relación en su reductora (1:150). El sistema de Mel SI puede funcionar con estos motores, ofreciendo un seguimiento bueno, pero la velocidad en grandes recorridos (slewing) por el cielo será muy baja, fruto de esa alta relación de la reductora. Los desplazamientos entre objetos estelares muy apartados llevarán minutos. Sin embargo, esos mismos motores con otra caja reductora cuya relación sea menor pueden mejorar la velocidad del sistema aunque no se ha de olvidar que también se producirá una reducción de torque proporcional. La firma Hurst ofrece cajas como las originales pero con diferente relación de reducción, lo que puede ser interesante puesto que no habría que trabajar mecanización alguna.

Sin embargo, si lo que buscamos es obtener unas prestaciones altas de la montura, esto es, slews rápidos y seguimiento preciso, hay infinidad de motores que se pueden emplear para mover la GM-8.

Una marca de referencia cuya calidad excede la media es Vexta. Sus motores han sido empleados por varios usuarios del sistema y varios GOTO comerciales los emplean. Yo he empleado unos Vexta de 4v y 0.6A procedentes de un sistema GOTO comercial (SkyProbe) reciclado.Son motores caros pero de calidad.

Acoplamiento mecánico

Si se van a emplear motores que no sean mecánicamente compatibles con los originales, hemos de estar preparados para trabajar algo en la mecanización de los soportes, adaptadores, etc. El punto de unión del eje de la reductora y el sinfin de la montura es un punto crítico que puede ser resuelto de varias formas. Una de las más fiables es empleando una junta Oldham. Son juntas constituidas por tres piezas que toleran cierto error en el alineamiento entre los ejes que une. Se pueden encontrar en RS components. Son caras.

Ruido de los motores

Este es un punto aparentemente trivial, pero, en algunos casos, se convierte en un auténtico problema. Particularmente, me tuvo varias semanas bloqueado sin poder avanzar en el desarrollo del proyecto.
El problema consiste en que, en modo seguimiento, las fases de los motores son excitadas con frecuencias audibles que hacen que los motores produzcan ruido. Por si esto fuera poco, la estructura del trípode o columna, montura y tubo óptico actuan como caja de resonancia, amplificando el ruido hasta llegar a ser realmente molesto.
El problema es complejo y difícil de analizar, puesto que son muchos los elementos implicados. Sin embargo, la solución es relativamente sencilla, consiste en aislar los elementos que constituyen nuestro sistema y en ajustar los parámetros que controlan el timing de generación de las señales de control de los motores.

En la mailing list se ha tratado el tema del ruido en varias ocasiones, algunas soluciones propuestas han sido de utilidad, pero otras como el utilizar el gel de los reposamuñecas para ratón como aislante o lo de pasar a un PC de mayor frecuencia de reloj de microprocesador han sido probadas sin exito.

En la figura se indican con flechas los puntos donde ha sido aplicado aislamiento.

Estos son los puntos que han sido probados con éxito:
1.La tensión de alimentación de los motores, en seguimiento (micropasos), ha de ser lo más cercana posible a la nominal de los motores. Esto minimiza el ruido de forma drástica.
2. Se aislará el punto de unión entre la montura y los motores.
3. Se usarán tornillos de nylon para sujetar los motores a la montura.
4. Se rellenará la columna (si es el caso) con arena
5. Se aislará el punto de unión entre montura y columna o trípode.
6. Se aislará el tubo óptico de la montura.
7. Se optimizarán los valores de los parámetros de los micropasos (MSPause y DelayX) para minimizar el ruido.

El punto 1 es un aspecto eléctrico. Cuanto menor es la tensión de alimentación del motor, menor ruido genera este. Por tanto, se utilizará una tensión cercana a la nominal durante seguimiento y una tensión mayor en slews. El sistema de Mel soporta esta doble alimentación.
Los puntos del 2 al 6 son más o menos sencillos de ejecutar. Tratan, sencillamente, de aislar las partes del sistema. Por cierto, de los muchos materiales probados (algunos realmente exóticos) el que mejor resultado ha dado como aislante es la goma de cámara de bicicleta.
El punto 7, sin embargo, puede llevar varios dias de trabajo. Estos dos parámetros actuan sobre la frecuencia que genera el PC para atacar a los motores. Según se actua sobre estos valores el ruido se hace más o menos agudo. Pero, además, cambiar esos parámetros afecta a la corriente que llega a los motores y por tanto al par motor. Por si fuese poco, esos parámetros afectan a la suavidad del movimiento en micropasos.
Por todo esto, hay que efectuar el ajuste de los parámetros conjuntamente con el ajuste del tamaño de los micropasos y con el multímetro conectado a la alimentación de los motores, para comprobar que no se sobrepasa la corriente máxima del motor.
Finalmente, se alcanza un punto en el que el ruido es impeceptible, la corriente es suficiente para mover el motor con suficiente par, pero sin calentar los mismos y además el movimiento por micropasos es suave y sin saltos.
Un último detalle, el motor que produce el ruido es fundamentalmente el de ascensión recta, que es el que está en movimiento en seguimiento, sin embargo, a veces, después de algún movimiento el de declinación produce ruido debido a que queda en un micropaso intermedio, entre dos de las bobinas del motor. La solución es pulsar dos veces seguidas la tecla 't' que desactiva y activa seguimiento y además, lleva el motor de declinación a un punto en el que se excita solo una bobina, sin producir ruido.

Electrónica de control

La electrónica de control es la encargada de controlar los motores paso a paso.
El circuito recibe las señales de control del puerto paralelo del PC y acondiciona las mismas para que puedan ser recibidas por un motor. Además, incorpora una entrada para un handpad y un autoguía. Todas las señales de potencia están optoacopladas con objeto de evitar daños al puerto paralelo del PC. Es decir, no existe ningún punto de unión eléctrica entre la zona de señales de control (el lado del PC) y la etapa de potencia (lado de los motores).
Mel utiliza una técnica denominada Pulse Width Modulation (PWM) para excitar los motores. Esta técnica consiste en utilizar la anchura de pulsos como modulador de la tensión aplicada a los bobinados de los motores, consiguiendo así que el eje se posicione en puntos intermedios entre ambos bobinados. Cada punto intermedio es denominado micropaso. Lo habitual con el sistema es emplear 20 micropasos por paso.
La velocidad máxima que alcanza un motor paso a paso depende obviamente de parámetros estructurales, pero puede ser elevada mediante dos técnicas. La primera es aplicar una aceleración y una deceleración constante al principio y al final del movimiento respectivamente. La rampa de arranque y frenado la controla el software y está parametrizada, de forma que se puede adaptar a las características de cualquier motor. La segunda es aplicar sobretensión al motor, es decir, aplicar tensiones 2, 3 y hasta 4 veces mayor que la nominal del motor. Esta sobretensión se aplica instantes después de arrancar el motor y se desactiva poco antes de frenarlo. Durante el seguimiento, la alimentación ha de ser la nominal del motor.
Para controlar esta alimentación dual, se dispone de un relé que conmuta siguiendo las instrucciones que son recibidas por un pin de salida del puerto paralelo. El PCB utilizado posee entradas para ambas alimentaciones. Como ejemplo, yo he utilizado 7v para excitar los motores durante seguimiento y 14 como sobrevoltaje.

En cuanto al montaje, es una electrónica fácil de construir y no hace falta ningún elemento particular para chequearla más que un polímetro.Mel ofrece en sus páginas todo lo necesario para construir su circuito e incluso vende todos los elementos necesarios.
El circuito impreso que yo he utilizado incorpora algunas mejoras respecto al original, ha sido diseñado por mi amigo Rafael Gonzalez. Toda la información sobre este circuito se encuentra aquí.

Pulsa aquí para obtener detalles sobre el proceso constructivo de la electrónica de control.

Software

El programa de control (scope.exe) es una aplicación DOS. Sus requerimientos hardware son mínimos, por lo que puede funcionar con máquinas a partir de 486DX..

El nucleo del programa se basa en la utilización de la interrupción periódica del reloj del PC (Tick) que tiene lugar 18.2 veces por segundo. De esta forma se dispone de una base de tiempos precisa que permite generar las señales de control que rigen el movimiento de los dos motores paso
a paso.
El interface de usuario es poco estético (no olvidemos que es una aplicación DOS) pero completo. El programa está estructurado mediante diferentes menus desde los que acceder a diferentes funcionalidades: handpad, PEC, movimiento, inicialización, etc.

El programa presenta en todo momento multitud de parámetros. Algunos tan usuales como las coordenadas actuales (RA y DEC), las coordenadas del siguiente objeto al que se desea desplazar el tubo, tiempo sidereo,etc. Otros son propios de una montura alta-azimutal como el azimut, altura, posición del rotador de campo, etc.

También son visualizadas, las coordenadas marcadas por encoders (si están instalados), el estado del handpad, o la posición de los motores en micropasos.

Todos los parámetros de configuración del software se encuentran almacenados en un fichero texto (config.dat) que permite actuar sobre cualquier parámetro comodamente. El fichero agrupa los parámetros relacionados por secciones, existe mount section, focus section, encoder section, etc.

Todos los parámetros de configuración del software se encuentran centralizados en único fichero texto (config.dat) que permite actuar sobre cualquier parámetro comodamente. El fichero reside en el mismo directorio que el programa principal. Config.dat agrupa los parámetros relacionados por secciones, existe mount section, focus section, encoder section, etc.

El programa dispone de varias posibilidades para su control externo. Una de ellas es un ingenioso método de intercambio de coordenadas entre scope.exe y la versión DOS del popular programa Guide.Este método tiene la ventaja de que ambas aplicaciones DOS residen en el mismo PC, por lo que se evita el uso de una segunda máquina.

Sin embargo, la opción de controlar el telescopio como si de un LX200 se tratase es la más atractiva desde el punto de vista del control remoto. Puesto que scope.exe emula dicho protocolo, es posible enviar comandos al PC a través del puerto serie para controlarlo. Cualquier software astronómico (TheSky, Guide, SkyMap, Megastar...) permite conexión a un LX200 mediante puerto serie. Como en este caso, la máquina que envía comandos al PC que corre scope.exe es una máquina con Windows como sistema operativo, si esa máquina está conectada a una red local o a Internet, podremos controlar el telescopio desde practicamente cualquier lugar.

El software también posee una potente utilidad de análisis y corrección de errores estructurales del conjunto montura-telescopio. Tras un proceso de captura de datos, se procesan los mismos y se obtienen unos parámetros que aplicados al programa principal, permiten corregir defectos como la no ortogonalidad de los ejes, flexiones del tubo, etc. Con estas correcciones y siempre que la montura sea de calidad, se pueden obtener errores de apuntamiento de tan solo algún segundo de arco en recorridos de extremo a extremo del cielo.

Mel ofrece continuamente actualizaciones de su software, con mejoras y depuración de bugs, por lo que lo mejor es ir a su página web y bajar la última versión del programa.

Ajuste y configuración de los parámetros

La tarea de ajustar todos los parámetros del software a nuestra montura y a nuestros motores es una de las que más tiempo consumirá. Bien es cierto que muchos de los parámetros no habrán de ser configurados, pero existe un buen número de ellos que hay que ajustar si se quiere que todo funcione correctamente.

Antes de ajustar los parámetros del software se deben ajustar los conjuntos de arrastre de la montura . Una vez realizado este proceso, ya se puede pasar al ajuste del programa.

En primer lugar, como en cualquier otro sistema, se ha de configurar la ubicación geográfica y la zona horaria en la que está ubicado el lugar de observación.

Después se ha de configurar el paso angular del conjunto montura-reductora-motor. De forma que el sistema conozca que desplazamiento angular produce en el cielo un paso de motor.

Después habrá que configurar todo lo referente al movimiento. El software controla el movimiento del telescopio mediante dos tipos de movimiento fundamentales: el modo micropaso y el modo medio paso.

El modo micropaso se emplea basicamente cuando se efectua seguimiento. En ese momento, interesa explotar toda la resolución angular del sistema. La reducción que ofrece la mecánica es, obviamente, invariable, pues depende de las coronas de la montura, de la caja reductora y del número de pasos del motor, por lo que se actua sobre el modo de atacar a los motores, empleando la técnica anteriormente mencionada que divide un paso del motor en 20 micropasos. Mediante micropasos, se obtiene un movimiento lento y uniforme, justo lo que precisa el seguimiento estelar.

El modo medio paso se emplea cuando lo que se desea es un movimiento muy rápido, es decir, en slews entre objetos estelares apartados. En este caso, las fases de los motores son atacadas con una secuencia que mueve los motores de medio en medio paso. Eso junto con la técnica de rampa de aceleración/deceleración y el sobrevoltaje lleva a movimientos angulares del tubo del telescopio de varios grados por segundo.

Otro ajuste a realizar es la compensación de backlash. Está compensación trata de corregir el juego de todo el conjunto mecánico. Ese juego es facilmente detectable cuando se mueve un motor en un sentido y más tarde, se cambia el sentido del giro del motor. Se observa que el sistema tarda unos instantes en recuperar el sentido contrario al movimiento inicial. Ese juego es fruto del ajuste corona-sinfin y del conjunto de piñones de la caja reductora.

Todo lo anterior, hace que se tengamos que seguir un procedimiento de ajuste/configuración que podemos dividir en un total de 5 etapas:

Ajuste de coordenadas geográficas y zona horaria

Configuración del desplazamiento angular por paso

Ajuste del movimiento en micropasos

Ajuste del movmiento en medios pasos

Compensación del backlash

Además de estos ajustes, existen multitud de parámetros "menores" que también han de ser ajustados como ,por ejemplo, límites de movimiento, velocidad del movimiento con el handpad, protocolo LX200, etc. Los cinco puntos anteriores constituyen tan solo un núcleo de setup que dota al sistema de una funcionalidad básica pero suficiente para comenzar a realizar observaciones visuales o con CCD.

Dependiendo del tipo de observación astronómica al que se vaya ha destinar el sistema y de las prestaciones que se deseen extraer del mismo dependerá el número de parámetros a ajustar.

Resultados

Una vez construido el sistema y efectuada una configuración parcial del mismo, comencé la fase de pruebas bajo las estrellas. Las pruebas básicas de apuntamiento han sido recorridos de algunas decenas de grados. Las pruebas de apuntamiento han sido realizadas con el equipo descrito en esta página, una montura Losmandy GM8 con motores Vexta, un tubo C8 con reductor de focal (f/6.3) y una cámara CCD Audine versión CG3 montando un KAF401 que ofrece un campo de 12x8 minutos de arco. La montura fué previamente orientada, por lo que posee un preciso apuntamiento a la polar. El software de control se ejecuta sobre una máquina 486DX a 66 MHz.

Una prueba típica de apuntamiento consiste en:

- Centrado de Alfa Perseo (Mirfak) en el campo de la CCD
- Reset de las coordenadas ecuatoriales con las de dicha estrella
- Carga de las coordenadas destino con Beta Andromeda (Mirach)
- Slew a coordenadas de destino
- Adquisición CCD
- Centrado de la estrella
- Reset de las coordenadas ecuatoriales con Beta Andromeda
- Carga de las coordenadas destino con la del Quinteto de Stephan
- Slew a coordenadas destino
- Adquisición CCD
- Centrado del Quinteto
- Reset de las coordenadas ecuatoriales con las del Quinteto
- Carga de las coordenadas de Alfa de Perseo de nuevo
- Slew a coordenadas de destino
- Adquisición CCD

En todos los casos, el objetivo aparece dentro del campo de la CCD, apartado del centro menos de 1/3 del ancho total del mismo. Los recorridos han sido de 28, 31 y 58 grados respectivamente.

Anteriormente he intentado meter en el campo de la CCD el Quinteto de Stephan y ha sido realmente agotador. Ahora, en menos de dos minutos está en el campo. Ha merecido la pena.

He comprobado el seguimiento mediante adquisición CCD. El error observado es el habitual error periódico. Cuando se adquiere una imagen en la zona "buena" del ciclo periódico se observa que el seguimiento es bueno, lo que prueba que el ajuste de los parámetros de los micropasos ha sido correcto y que ajustes como el QSC pudieran no ser necesarios.

El movimiento del handcontroller es rápido y preciso en modo micropaso. En modo medio paso es preciso pero es algo lento de respuesta, lo que hace que haya que esperar un breve instante entre dos ordenes consecutivas. Esto pudiera mejorar con un PC más potente.

Pruebas posteriores han confirmado la precisión del apuntamiento en recorridos de entre 40 y 60 grados. En recorridos más largos, el objetivo cae fuera del campo de la CCD por algún minuto de arco. Habrá que estudiar si el comportamiento es repetitivo y si es así, aplicar el modelo de corrección software para optimizar la precisión.

En cualquier caso, para alguien que, como yo, estaba acostumbrado a buscar objetivos con la CCD mediante buscador,cartas y star-hopping, la mejora es sustancial. Ahora lo único que hay que hacer es apuntar a una estrella cercana, sincronizar el sistema y ordenar slew. El objetivo estará dentro del campo de la CCD.

Además el sistema se muestra eficaz en cielos urbanos puesto que muchas veces se buscan objetos de cielo profundo que, además de débiles, se encuentran en constelaciones que no se pueden ver. En esos casos, apuntamos a alguna estrella brillante de alguna constelación cercana, se sincronizan coordenadas y se ordena slew al objetivo.

En recorridos largos, utilizaremos estrellas brillantes como destino. De esta forma, si el objetivo no cae dentro de la CCD, el buscador nos permitirá centrar la estrella en el campo, sincronizar y ordenar slew al objetivo débil que deseemos.

Periodicamente, intentaré actualizar esta página con los detalles de utilización y experiencias con este fantástico sistema. Desde aquí, gracias Mel.

December 10, 2001 Antonio Peña