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Motorsteuerung von Maxon Motor für modulare Mehrachssysteme

Motion Control
Motorsteuerung von Maxon Motor für modulare Mehrachssysteme

Robotik-, Analyse- und Handlingsysteme benötigen eine kompakte Integration einer großen Zahl von energieeffizienten Antrieben kombiniert mit hochdynamischen Reglern und vernetztem Bus-System. Mit der Motorsteuerung Epos4 Micro, die auf einer etablierten Industrielösung basiert, können modulare Mehrachssysteme mit CANopen oder Ethercat realisiert werden – ohne hohen Entwicklungsaufwand.

Jürgen Wagenbach, Head of Customer Support Motion Control, Maxon Motor

Inhaltsverzeichnis
1. Im Fokus: Miniaturisierte Motorsteuerungen
2. Motorsteuerung: Bus-Schnittstelle als Rückgrat des Gesamtsystems und von IIoT
3. Motorsteuerung Micro auch mit Ethercat
4. Micro-Motorsteuerung und einfach zu integrieren
5. Micro und bereit für IIoT
6. Vielseitige Micro-Motorsteuerung
7. Intuitive Inbetriebnahme
8. Maxon als Systempartner

Insbesondere Operationsroboter, Analysegeräte der Medizinal- und Labortechnik sowie Multileaf-Kollimatoren in der Bestrahlungstechnik sind auf miniaturisierte Antriebssysteme angewiesen, die aufgrund eines hohen Wirkungsgrades dicht gepackt installiert werden können. DC- und BLDC-Motoren von Maxon kombiniert mit Getrieben und integrierten Encodern zur Positions- und Drehzahlerfassung stellen für solche Anwendungen eine ideale Lösung dar. Zum „Antriebspaket“ gehören auch Motorsteuerungen, die idealerweise direkt im Gerät dicht bei den Motoren und Sensoren integrierbar sind. Eine übergeordnete Master-Steuerung dient der Koordination der einzelnen Antriebsbewegungen, dem Informationsaustausch mit dem Anwender (- User-Interface) und auch der Datenverarbeitung und der Vernetzung mit ERP-Software. Je nach Anwendung kann es sich beim Master um eine SPS, einen programmierbaren Mehrachscontroller (z.B. zub MasterMACS), einen PC oder Microcontroller-basierende Lösungen handeln.

Im Fokus: Miniaturisierte Motorsteuerungen

Wichtigste Merkmale der Motorsteuerungen sind eine hohe Energieeffizienz und eine hohe Leistungsdichte für die platzsparende «gepackte» Integration aller Komponenten. Ebenso bedeutend sind Anschlüsse für diverse Sensoren und Aktoren sowie eine schnelle Bus-Schnittstelle. Die Anschlusstechnik wird somit häufig zum Schlüssel oder auch Handicap für die platzsparende Integration von Standardlösungen. Es gilt hierbei einen praxistauglichen Schnitt zwischen Funktionalität und Anschlusstechnik auf Hardware-Ebene zu finden. Die Epos4-Micro-Module bieten einen hohen standardisierten Funktionsumfang, modernste Regleralgorithmen, eine kompakte Leistungsendstufe sowie eine CANopen- oder Ethercat-Bus-Schnittstelle – und sind dabei ähnlich groß wie eine Briefmarke (ab 32 x 22 mm). Gerätehersteller können die Plugin-Module in der eigenen Elektronik oder einem Motherboard in der benötigen Achsanzahl integrieren und mit der gerätespezifischen Anschlusstechnik und zusätzlicher Funktionalität kombinieren. Maxon steht bei Bedarf als Engineering-Partner für die Entwicklung solcher Elektronikboards zur Verfügung. Die Epos4 Micro ist eine in hohen Stückzahlen produzierte Industriekomponente (COTS = commercial-off-the-shelf) und minimiert somit den kundenseitigen Entwicklungsaufwand und das Entwicklungsrisiko. Jedes Micro-Modul enthält die komplette Hardware und Software für die Ansteuerung und Regelung eines bürstenbehafteten oder bürstenlosen Motors, sowie die Bus-Kommunikation. Dies ermöglicht kostenoptimierte Mehrachssysteme mit kompaktesten Abmessungen, vereinfachter Montage und Verdrahtung aller Anlagenkomponenten in der Produktion wie auch im Servicefall.

Motorsteuerung: Bus-Schnittstelle als Rückgrat des Gesamtsystems und von IIoT

Über die Bus-Schnittstelle werden von jeder Antriebseinheit mit dem Master-Controller die Daten für die koordinierte Bewegung der einzelnen Achsen ausgetauscht und Informationen für die Wartung und IIoT-basierende Systemkonzepte (IIoT = Industrial Internet of Things) zur Verfügung gestellt. Gängige Feldbus-Systeme in der Robotik und dem Geräte-/Anlagenbau sind hierbei CANopen und Ethercat. Ethercat bietet aufgrund höchster Übertragungsraten insbesondere Vorteile bei komplexen Mehrachsanwendungen, besitzt aber den Nachteil zusätzlich notwendiger Hardware und der großen, standardisierten RJ45-Anschlussstecker bei der Kopplung als Einzelachsen. Die Baugröße der Steuerung und Anschlusstechnik, welche im Maschinen-Schaltschrank kein Problem darstellt, kann insbesondere bei Handgeräten und der Robotik teilweise zum „Killer-Kriterium“ für Ethercat werden. Bei Epos4 Micro Ethercat wurde deshalb die platzsparende Ethercat-Integration und Anschlusstechnik für mehrachsige Systemlösungen bereits bei den Entwicklungsanforderungen ins Pflichtenheft geschrieben und eine Lösung gefunden.

Motorsteuerung Micro auch mit Ethercat

Bei Ethercat werden induktive Übertrager (in diesem Zusammenhang so genannte Magnetics) eingesetzt, um DC-Signalkomponenten aufgrund von Potenzialunterschieden auszublenden, sowie Störungen zu unterdrücken und die Signalintegrität sicherzustellen. Bei den Magnetics handelt es sich entweder um separate Komponenten oder sie sind im Ethercat-Stecker integriert. Sowohl die Magnetics-Komponenten als auch der RJ45-Stecker benötigen auf der Leiterplatte jedoch viel Bauraum und sind kostentreibend, sofern sie für jeden einzelnen Achscontroller und Ethercat-Netzwerkknoten integriert werden müssen. Bei Applikationen mit mehreren modularen Motorsteuerungen auf einem gemeinsamen Motherboard ist die Ethercat-Kopplung via Magnetics jedoch nicht zwingend notwendig. Es besteht die Möglichkeit, die Ethercat-Ports der einzelnen Controller intern über eine kapazitive Kopplung (d.h. Kondensatoren) zu verbinden. Voraussetzung hierfür sind kurze Leiterbahnen (typ. max. 10 cm) zwischen den Ethercat-Anschlüssen sowie keine Potenzialunterschiede in der Logikversorgung der einzelnen Steuerungen. Es bietet sich hier innerhalb eines Elektronikboards die Möglichkeit einer kostengünstigen und platzsparenden kapazitiv gekoppelten Ethercat-Vernetzung zwischen den einzelnen Epos4-Micro-Motorsteuerungen unter Einhaltung dokumentierter Designregeln. So werden nur noch für den externen Ethercat-Anschluss RJ45-Stecker benötigt.

Epos4 Micro Ethercat unterstützt die kapazitive interne Ethercat-Kopplung wie auch die externe Kopplung mittels Magnetics. Auf dieser Basis können sehr kompakte Multiachs-Boards mit aufgesteckten Epos4-Micro-Modulen realisiert werden, was sowohl Kosten als auch Baugröße reduziert. Maxon bietet nach diesem Prinzip einen extrem kompakten Multiachscontroller mit 90 x 56 mm Baufläche (entsprechend der Größe einer Visitenkarte), bestückt mit 3 Epos4-Micro-24/5-Ethercat-Modulen an. Anhand dieses Produkts wird eindrücklich aufgezeigt, wie mit dem Mikro-Modul Mehrachssysteme aufgebaut werden können, die ihresgleichen suchen bezüglich kompakter Abmessungen bei gleichzeitig hoher Funktionalität und Abgabeleistung.

Micro-Motorsteuerung und einfach zu integrieren

Der Datenaustausch und die Kommandierung erfolgt bei der Epos4 Micro (abhängig vom gewählten Produkttyp) über CANopen oder Ethercat und folgt dem CiA 402 Protokoll (Device Profile for Drives and Motion Control). Unterstützt werden die standardisierten Betriebsarten PPM (Profile Position Mode), PVM (Profile Velocity Mode), HM (Homing Mode), CSP (Cyclic Synchronous Position), CSV (Cyclic Synchronous Velocity) sowie CST (Cyclic Synchronous Torque). Als standardisierter Motion Control Slave kann Epos4 Micro (wie alle Epos4-Varianten) sehr einfach in die Systemmanager-Tools und Motion Libraries von verschiedenen SPS-Herstellern eingebunden werden. Bei Anwendungen ohne Bedarf für einen schnellen, zyklischen Datenaustausch im Millisekunden-Takt können auch Windows- und Linux-basierende Systemumgebungen (z.B. PC oder Raspberry Pi) als übergeordnete Systemsteuerungen (= Master) Verwendung finden. Maxons Epos Command Library als spezifische Motion-Control-Funktionsbibliothek beschleunigt hierbei die masterseitige Software-Entwicklung und unterstützt USB-, RS232- und CAN-Schnittstellen für den Datenaustausch.

Micro und bereit für IIoT

Die Epos4 ist unterster Informationslieferant im IIoT-Umfeld einer Maschine beziehungsweise des Antriebsstrangs. Die Motorsteuerung liefert über das Bus-System nach Bedarf Echtzeitdaten wie Motorströme und Drehmomente, Drehzahlen, Positionswerte, Fehlerzustände, Temperatur- und Lastwerte von Steuerung und Motor, sowie Sensoren- und Aktorenzustände. Die hohe Bandbreite an unterschiedlichen Daten sowie die Möglichkeit zum schnellen zyklischen Datenaustausch ist die IIoT-Basis für die Prozess- und Produktionsüberwachung und kann auch für die optimierte Instandhaltung (= Predictive Maintenance) genutzt werden.

Epos4-Micro-Module reihen sich bezüglich Funktionalität, Bedienung und Software in die am Markt etablierte Epos4-Baureihe ein. Nur auf wenige Features und einzelne Ein-/Ausgänge wurde aufgrund der deutlich höheren Integrationsdichte verzichtet. Keine Kompromisse gibts betreffend Reglerfunktionalität und -performance. Das Micro-Variante besitzt mit 25 kHz Stromreglertakt und 2.5 kHz Drehzahl-/Positionsreglertakt identische Taktraten wie alle anderen Varianten der Produktlinie. Modernste Reglerkonzepte wie Field Oriented Control (FOC), Feed Forward und Observer Control, sowie die Dual-Loop Regelung erlauben auch bei Epos4 Micro eine maximale Motorperformance und Bewegungspräzision abgestimmt auf unterschiedlichste Anwendungsanforderungen, Antriebsmotoren und Sensoren. Die Dual-Loop Regelung mit einem Inkrementalgeber auf der Motor- und einem SSI-Absolutgeber auf der Abgangswelle ermöglicht eine präzise lastseitig bezogene Positionierung auch bei spielbehafteten oder elastischen Antriebssystemen. Die Inbetriebnahme und das Regler-Tuning werden durch verschiedene Wizards der Epos-Studio-Software optimal unterstützt.

Vielseitige Micro-Motorsteuerung

Epos4 Micro unterstützt bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren mit Hallsensoren, Digital-Inkrementalgebern und SSI-Absolutgebern. Bei definiert montierten SSI-Absolutgebern auf der Motorwelle (wie bei Maxon-Motorkombinationen üblich) ist ein Betrieb von EC-Motoren ohne Hallsensoren möglich. Insgesamt 5 digitale Eingänge, 3 digitale Ausgänge, 2 analoge Eingänge (+/-10V) und 1 analoger Ausgang (+/-4V) erlauben die Anbindung und Auswertung achsbezogener Sensorik, wie zum Beispiel von End- und Referenzschaltern. Die Kommandierung des Drehmoment- oder Drehzahlreglers ist alternativ zum Bus-System ebenfalls über ein analoges Signal möglich. Epos Micro bietet eine hohe Leistungsdichte von größer 50W Spitzenleistung pro cm2 Baufläche ohne Kühlkörper und ohne aktive Kühlung. In der Praxis bedeutet dies bei einem Flächenbedarf für Controller und Leistungsendstufe von nur 32 x 22 mm (Epos 24/5 Micro CAN) und 7 mm Dicke eine Motorspannung von 24V und 5A Dauerstrom, sowie 15A Spitzenstrom während 10 s (entsprechend 360W). Dies bei einer Umgebungstemperatur von -30°C bis 45°C ohne zusätzliche Kühlung. Bei entsprechendem Derating des Ausgangsstroms sind Umgebungstemperaturen von über 60°C im Betrieb möglich. Die Temperatur der Leistungsendstufe wird mittels Sensor überwacht und der Motor durch eine I2t-Überwachung vor Überlast geschützt.

Intuitive Inbetriebnahme

Die vorhandenen digitalen und analogen Ein- und Ausgänge sind frei konfigurierbar und optimal auf die vielfältigen Funktionen und Betriebsarten der CiA-402-(CoE)-Positioniersteuerung abgestimmt. Die intuitive Inbetriebnahme-Software Epos Studio bietet mit dem Startup Wizard eine geführte Grundkonfiguration sowie ein automatisches Tuning aller Reglerparameter, auch für komplexe Dual-Loop-Reglerstrukturen. Das Reglerverhalten sowie relevante Prozessgrößen können mit dem integrierten Datenrecorder der Inbetriebnahme-Software in der Anwendung aufgezeichnet und beurteilt werden. Für erste Tests bereits ohne eigenes Motherboard-Design steht ein anschlussfertiges Evaluation-Board zur Verfügung. Ein umfangreiches Zubehörangebot sowie die ausführliche Produktdokumentation runden das Angebot ab.

Maxon als Systempartner

Maxon bietet mit Support und verschiedensten Dienstleistungen weit mehr als nur Katalogprodukte. Insbesondere bei der Integration einer oder mehrerer Epos-Micro-Module können sich anwendungsbezogen sehr spezifische Anforderungen betreffend Abmessungen, Anschlusstechnik oder Zusatzfunktionalitäten einer Mehrachssteuerung ergeben. Spezifische Hinweise für das Elektronikdesign sind in den Hardware-Referenzen der Epos4 Micro enthalten und dienen dem anwendungsseitigen Systementwickler als Vorgabe. Sollten kundenseitig keine Ressourcen für eine solche Entwicklung vorhanden sein, bietet der Hersteller ergänzende Dienstleistungen und die Produktion von anwendungsspezifischen Elektronik-Boards an. Das Unternehmen ist in diesem Fall nicht nur Produktlieferant, sondern übernimmt Systemverantwortung als kompetenter Engineeringpartner im Bereich der Antriebstechnik. Ein frühzeitiger Projektaustausch ist die Basis für eine technisch wie kommerziell optimierte Lösungsfindung. (jg)

Mehr Informationen zu den EPOS4-Positioniersteuerungen von Maxon Motor:

hier.pro/JWhIK
Kontakt:
Maxon Motor Gmbh
Truderinger Str. 210
81825 München
Tel. +49 89 420493–0
shop.de@maxongroup.com

www.maxongroup.de


Im Überblick

Motorsteuerung von Maxon Motor für modulare Mehrachssysteme mit CANopen oder Ethercat



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