Startseite » Allgemein »

Positioniersteuerungen – extrem kompakt

Canopen für Kleinantriebe (Hannover Messe: 15-D05)
Positioniersteuerungen – extrem kompakt

Anzeige
Obwohl als Feldbus mit Leitungslängen von mehreren Metern konzipiert, genießt der CAN-Bus heute auch eine hohe Akzeptanz als Kommunikationsbus innerhalb kompakter Maschinen und Apparate. Für solche Anwendungen mit engen Platzverhältnissen bietet maxon motor neue, sehr kompakte Positioniersteuerungen mit Canopen-Schnittstelle für permanenterregte bürstenbehaftete DC- und bürstenlose EC-Motoren.

Dr. Marcel Honegger, Projektleiter Mechatronik bei der maxon motor ag in Sachseln/CH ( www.maxonmotor.com)

Durch die anhaltende Miniaturisierung der Elektronik, aber auch durch die Steigerung der Leistungsdichte von elektrischen Antrieben können viele Maschinen und Apparate heute viel kompakter gebaut werden als noch vor einigen Jahren. Und durch den Einsatz von Feldbussen, wie dem CAN-Bus, bleibt der Verkabelungsaufwand sehr gering – selbst bei zunehmender Anzahl von Sensoren und Aktuatoren.
Auch bei hohem Preisdruck für Maschinen kann sich der Einsatz eines Feldbusses lohnen. Speziell CAN ist als kostengünstiger Bus bekannt, nicht zuletzt dank der Verfügbarkeit einer großen Zahl von Mikrocontrollern und Prozessoren mit integrierten CAN-Controllern. Die Verwendung des standardisierten Canopen-Protokolls nach CiA 301 und auch der gerätespezifischen Profile wie CiA 402 verringert den Entwicklungsaufwand für die Steuerungssoftware erheblich. Zusätzlich erhöht sich die Flexibilität für die Entwickler, da einzelne Komponenten ohne größere Änderungen ausgetauscht werden können. Wird z.B. ein Schrittmotor mit zugehöriger Steuerung durch einen DC-Motor mit der Steuerung eines anderen Herstellers ersetzt, ändert sich die Steuerungssoftware der Maschine kaum, weil bei der Verwendung von Canopen-Profilen beide Antriebssysteme auf dem CAN-Bus fast gleich erscheinen.
So wie die Größe von elektrischen Antriebssystemen und die Kosten sinken, so steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und den Funktionsumfang kontinuierlich. Zudem wird es selbst bei kleinen Geräten immer wichtiger, die einzelnen Antrie-be miteinander zu synchronisieren, um so komplexere Bewegungsabläufe realisieren zu können. Neben der Vorstellung kom-pakter Canopen-fähiger Positioniersteuerungen von maxon motor zeigt dieser Beitrag verschiedene Möglichkeiten auf, wie sich die Bewegungen mehrerer Antriebe mit Can-open synchronisieren lassen, beispielhaft gezeigt bei einer miniaturisierten Highend-Robotersteuerung.
Performante Steuerungen für Kleinantriebe
Für DC- und EC-Motoren mit 1 bis 700 W Nennleistung bietet maxon motor mit Epos2 eine Familie von universellen Positioniersteuerungen an. Speziell für den Ein-satz in kompakten Maschinen wurden die Steuerungen Epos2 24/2 mit bis zu 48 W Nennleistung und für OEMs die Epos2 Module 36/2 mit 72 W Nennleistung entwickelt (Bild 1). Der Funktionsumfang dieser Steuerungen ist weit gehend iden- tisch mit demjenigen der größeren Epos2- Antriebssteuerungen. EC-Motoren können mit bis 100 000 min-1 betrieben werden, und dank der maximalen Encoder-Strichzahl von 2 500 000 Impulsen sind hochauflösende Encoder einsetzbar, wobei die Encoder-Eingangsfrequenz bis 5 MHz betragen kann. Als Kommunikationsschnittstellen bieten diese Epos2-Steuerungen neben Canopen nach CiA 402 auch USB und RS232 sowie Gateway-Funktionen von USB oder RS232 zu CAN.
Diese Kleinsteuerungen unterstützen eine Vielzahl von Betriebsmodi, z.B. Position, Velocity oder Current Mode. Weiterhin finden sich Funktionen wie der „Step/Direction Mode“ zur schrittweise geregelten Bewegung der Motorachse oder der „Master Encoder Mode“ zur Anwendung des Antriebs als elektronisches Getriebe. Mit der grafischen Benutzeroberfläche „Epos Studio“ lassen sich rationell die Steuerungen parametrisieren und die Regler einstellen.
Synchronisation mehrerer Antriebe
Für viele mehrachsige Anwendungen reicht es aus, wenn deren Antriebe unabhängig voneinander bewegt werden. Die Antriebssteuerungen werden dabei typischerweise im „Profile Position Mode“ oder im „Profile Velocity Mode“ betrieben. Um nun mehrere Antriebe synchron zu bewegen, wie dies für viele mehrachsige Positioniersysteme gefordert wird, spezifiziert Canopen verschiedene Möglichkeiten. Eine bevorzugte Variante ist die Verwendung des „Interpolated Position Mode“ (PVT, Position andVelocity versus Time). Die Maschinensteuerung berechnet dabei die Bewegung aller Antriebe, generiert periodisch aus Position und Geschwindigkeit bestehende Stützpunkte und schreibt diese in den Zwischenspeicher der Positioniersteuerung. Diese wiederum berechnet anschließend durch lineare oder kubische Interpolation Sollwerte für die Positionsregelung. Die lokalen Timer der Positioniersteuerungen können dabei mit Sync-Meldun- gen auf dem CAN-Bus synchronisiert werden (Bild 2, oben).
Die Perioden zwischen den Stützpunkten des „Interpolated Position Mode“ betragen typischerweise 10 bis 100 ms, womit die Buslast und die Echtzeitanforderungen an den Bus-Master gering sind. Ein Nachteil dieses Betriebsmodus ist hingegen, dass sich die Bewegung nicht innerhalb sehr kurzer Zeit ändern lässt. Sollte die Bewegung z.B. zusätzlich mit externen Sensoren (Vision, Encoder von Förderband) synchronisiert werden, ist diese Art der Bewegungsplanung und Regelung zu langsam. Mögliche Anwendungen, bei denen der „Interpolated Position Mode“ sinnvoll ist, sind das automatische Nachführen von Teleskop- und Solarspiegeln oder das Steuern von Werkzeugmaschinen, bei denen die Bewegungen der Achsen fest vorgegeben sind.
Eine höhere Dynamik in der Bewegungsplanung lässt sich erreichen, wenn die Bewegungsplanung und ein Teil der Antriebsregelung vollständig im Canopen-Master vorgenommen wird, z.B. mit einem Positionsregler im Master und unterlagertem Geschwindigkeitsregler in den Antriebssteuerungen (Bild 2, Mitte). Die Steuerungen werden dann im „Profile Velocity Mode“ betrieben, wobei darauf geachtet werden muss, dass Sollwerte sofort übernommen werden, da andernfalls der Positions-Regelkreis nicht geschlossen werden kann. Die maxon-Positioniersteuerungen Epos2 bieten zusätzlich einen reinen „Velocity Mode“, bei dem die Geschwindigkeits-Sollwerte direkt der Regelung zugeführt werden, was zu einer hohen Regeldynamik führt. Die Buslast und auch die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Master sind bei dieser Steuerungs-Architektur deutlich höher; die Zykluszeiten liegen typischerweise bei 2 bis 5 ms.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Positions- und Geschwindigkeitsregler im Master zu realisieren und den Antriebssteuerungen via CAN-Bus lediglich die Dreh- moment- bzw. Stromsollwerte vorzugeben. Canopen spezifiziert dazu den „Profile Torque Mode“ für Motion-Control-Produkte. Die Epos2-Steuerungen bieten alternativ den „Current Mode“, bei dem Stromsollwerte via CAN-Bus direkt dem Stromregler der Epos2 zugeführt werden (Bild 2, unten). Damit wird die hohe Dynamik, die bei eisenlosen Motoren nötig ist, erreicht.
Die direkte Kommandierung des Stromsollwerts ermöglicht es, im Master auch komplexere Regelungsalgorithmen zu implementieren, wie dies z.B. für Robotersysteme mit nichtlinearer Dynamik erforderlich ist. Allerdings erfordert diese Architektur neben ausreichender Rechenleistung auf dem Master auch eine harte Echtzeitfähigkeit, da die Zykluszeiten im Bereich #1 ms liegen sollten. Solch kurze Zykluszeiten führen zu einer hohen Auslastung des CAN-Busses. Ein Beispiel: Das Senden einer CAN-Meldung mit einer Stromvorgabe und das Empfangen einer Meldung mit der aktuellen Position dauert bei einer Übertragungsrate von 1 Mb/s knapp 200 µs pro Antrieb (Bild 3). Schon eine gewünschte Zykluszeit von 0,5 ms bei nur zwei Antrieben auf einem CAN-Bus führt zu einer CAN-Bus-Auslastung von ca. 80 %.
Anwendung PocketDelta-Roboter
Für Anwendungen in der Mikrotechnik hat die Firma asyril S.A. aus Villaz-St-Pierre/CH einen Kleinstroboter mit einer Delta-Kinematik entwickelt. Bei dieser Roboterkinematik wird eine kleine Plattform mit dem Greifwerkzeug durch Parallelogramme im 3D-Raum geführt. Die Parallelogramme werden von drei Motoren angetrieben, die alle an einer Basis montiert sind (Bild 4). Die bewegte Masse des Roboters ist damit sehr gering, womit höchste Beschleunigungen und Geschwindigkeiten realisierbar sind.
Als Antriebe werden maxon-EC-i-Motoren mit 40 mm Durchmesser und 50 W Nennleistung eingesetzt. Diese Motoren zeichnen sich dank innenliegendem, mehrpoligem Rotor durch kleine Zeitkonstanten und entsprechend hoher Dynamik sowie durch eine hohe Drehmomentdichte aus. Betrieben werden sie von Positioniersteuerungen des Typs Epos2 Module 36/2. Diese modularen, sehr kompakten Steuerungen sind in die Kartensteckplätze einer Trägerplatine gesteckt, die speziell für kleine Roboter mit bis zu vier Antrieben entwickelt wurde (Bild 5).
Als Master-Steuerung wird ein ARM11-Prozessor mit integrierten CAN-Controllern eingesetzt. Dieser Prozessor sitzt ebenfalls auf der Trägerplatine und kommuniziert mit den Epos2 via CAN-Bus. Weitere Epos2-Steuerungen, z.B. für Zuführsysteme oder Transfer-Achsen, oder auch andere Canopen-Geräte könnten über Steckverbinder an den Master angeschlossen werden.
Hochdynamische Roboter wie der PocketDelta, der Beschleunigungen von 5 g und Geschwindigkeiten von 2 m/s erreichen kann, stellen hohe Anforderungen an die Regelung der Antriebe. Die Bewegungsgleichungen solcher Systeme sind normalerweise nichtlinear und zwischen den einzelnen Antrieben gekoppelt. Um auch bei hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten die Bahnfehler auf wenige µm reduzieren zu können, wird neben einer speziell ausgelegten Regelung eine Vorsteuerung mit der Berechnung der Bewegungsgleichungen des gesamten Roboters eingesetzt.
Die Steuerungen Epos2 Module 36/2 werden im „Current Mode“ betrieben. Der Master berechnet neben der Bewegungsplanung, die für alle Antriebe synchron erfolgen muss, auch die Regelungsalgorithmen und die Vorsteuerung des Roboters. Die resultierenden Stromsollwerte übergibt der Master dann via CAN-Bus an die Epos2. Die aktuellen Motorpositionen werden mit hochauflösenden Encodern erfasst und von den Epos2 via CAN-Bus an den Master gesandt. Somit ist die Positions- und Geschwindigkeitsregelung über den CAN-Bus geschlossen (Bild 2, unten). Mit einer optimierten Definition von PDOs mit möglichst kleiner Datenlänge sowie einer Aufteilung der verschiedenen Antriebssteuerungen auf zwei CAN-Busse lassen sich Zykluszeiten für die Regelung von deutlich unter 1 ms erreichen.

praxis plus
Der CAN-Bus wird nicht zuletzt dank seiner geringen Kosten auch bei kompakten Maschinen und Apparaten eingesetzt. Mit den neuen Positioniersteuerungen Epos2 24/2 und Epos2 Module 36/2 bietet maxon motor Can-open-fähige Antriebslösungen auch für minimale Platzverhältnisse. Dank der Unterstützung verschiedenster Betriebsmodi, einschließlich dem „Interpolated Position Mode“ lassen sich mehrere Antriebe auch einfach via CAN-Bus synchronisieren. Wie das Beispiel der Steuerung für den PocketDelta-Roboter zeigt, sind auch sehr anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen per CAN-Bus realisierbar.

INFO-TIPP
Weitere Informationen zum beschriebenen PocketDelta-Roboter bietet die folgende asyril-Website:
Anzeige
Festo: Digitalisierung

Smartenance

Die Digitalstrategie von Festo im Überblick

Schlagzeilen
Video aktuell

Bei einem Rundgang über die SPS 2019 sprechen wir mit Vertretern verschiedener Aussteller und stellen einige neue Lösungen und Produkte vor.

Aktuelle Ausgabe
Titelbild elektro AUTOMATION 4
Ausgabe
4.2020
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Automation Award 2019
Die Besucher der SPS wählen während der Messe Ihre Favoriten! Nominierte Produkte…

Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de