Maxon Motor AG: CANopen für Kleinantriebe

| Redakteur: Hermann Jörg

Dr. Marcel Honegger (Bild: Maxon Motor)
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Dr. Marcel Honegger (Bild: Maxon Motor)

>> 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.

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 der CAN-Bus ist als kostengünstiger Bus bekannt, nicht zuletzt dank der Verfügbarkeit einer grossen Zahl von Mikrocontrollern und Prozessoren mit integrierten CAN-Kontrollern.

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 beispielsweise ein Schrittmotor mit zugehöriger Steuerung durch einen DC-Motor mit einer 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 auch die Kosten sinken, so steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und den Funktionsumfang kontinuierlich. Auch wird es selbst bei kleinen Geräten immer wichtiger, die einzelnen Antriebe miteinander zu synchronisieren, um so komplexere Bewegungsabläufe realisieren zu können. Neben der Vorstellung neuer, kompakter CANopen-fähiger Positioniersteuerungen von Maxon Motor zeigt dieser Bericht verschiedene Möglichkeiten auf, wie die Bewegungen mehrerer Antriebe mit CANopen synchronisiert werden können. Als Anwendung wird eine miniaturisierte Highend-Robotersteuerung präsentiert.

EPOS2 – Steuerungen für Kleinantriebe mit hoher Performance

Für DC- und EC-Motoren mit 1 bis 700 W Nennleistung bietet Maxon mit EPOS2 eine Familie von universellen Positioniersteuerungen an. Speziell für den Einsatz 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 weitgehend identisch mit demjenigen der grösseren EPOS2-Antriebssteuerungen. EC-Motoren können mit bis 100 000 U/min betrieben werden, und dank der maximalen Encoder-Strichzahl von 2 500 000 Impulsen können hochauflösende Encoder eingesetzt werden, 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.

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Auch diese Kleinsteuerungen unterstützen eine Vielzahl von Betriebsmodi, so z.B. Position, Velocity oder Current Mode. Weiter 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 diese Steuerungen rationell parametrisieren und die Regler einstellen.

Synchronisation von mehreren Antrieben mit CANopen

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 mehrere Möglichkeiten.

Variante Interpolated Position Mode

Eine bevorzugte Variante ist die Verwendung des Interpolated Position Mode (PVT, Position and Velocity 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-Meldungen auf dem CAN-Bus synchronisiert werden (Bild 2).

Die Perioden zwischen den Stützpunkten des Interpolated Position Mode sind typischerweise 10–100 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 beispielsweise 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 aber sinnvoll ist, sind das automatische Nachführen von Teleskop- und Solarspiegeln oder das Steuern von Werkzeugmaschinen, bei denen die Bewegungen der Achsen fest vorgegeben sind.

Variante Profile Velocity Mode

Eine höhere Dynamik in der Bewegungsplanung lässt sich erreichen, wenn die Bewegungsplanung und ein Teil der Antriebsregelung vollständig im CANopen Master vorgenommen wird, beispielsweise mit einem Positionsregler im Master und unterlagertem Geschwindigkeitsregler in den Antriebssteuerungen (Bild 3). Die Steuerungen werden dann im Profile Velocity Mode betrieben, wobei darauf geachtet werden muss, dass Sollwerte sofort übernommen werden, andernfalls der Positionsregelkreis nicht geschlossen werden kann. Die Maxon-EPOS2-Positioniersteuerungen bieten zusätzlich einen reinen Velocity Mode, bei dem die Geschwindigkeitssollwerte direkt der Regelung zugeführt werden, was zu einer hohen Regeldynamik führt. Die Buslast und auch die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Masters sind bei dieser Steuerungsarchitektur deutlich höher, die Zykluszeiten liegen hier typischerweise bei 2 bis 5 ms.

Variante Profile Torque Mode, Current Mode

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Positions- und Geschwindigkeitsregler im Master zu realisieren und den Antriebssteuerungen via CAN-Bus lediglich die Drehmoment respektive 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 4). Damit wird die hohe Dynamik, die bei eisenlosen Motoren nötig ist, erreicht.

Die direkte Kommandierung des Stromsollwertes ermöglicht, im Master auch komplexere Regelungsalgorithmen zu implementieren, wie dies beispielsweise 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 (siehe Tabelle 1). Schon eine gewünschte Zykluszeit von 0,5 ms bei nur zwei Antrieben auf einem CAN-Bus führt bereits zur CAN-Bus-Auslastung von ca. 80 %.

Anwendungsbeispiel Pocket- Delta-Roboter

Für Anwendungen in der Mikrotechnik hat die Firma Asyril S.A. aus Villaz-St-Pierre (Schweiz) 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 dabei von drei Motoren angetrieben, die alle an einer Basis montiert sind (Bild 5). 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 Watt Nennleistung eingesetzt. Diese Motoren zeichnen sich dank innenliegendem, mehrpoligem Rotor durch kleine Zeitkonstanten und damit hoher Dynamik sowie durch eine hohe Drehmomentdichte aus. Betrieben werden diese Motoren von Positioniersteuerungen des Typs EPOS2 Module 36/2. Diese modularen, äusserst kompakten Steuerungen sind in die Kartensteckplätze einer Trägerplatine gesteckt, welche spezifisch für kleine Roboter mit bis zu 4 Antrieben entwickelt wurde (Bild 6).

Als Master-Steuerung wird ein ARM11-Prozessor mit integrierten CAN-Kontrollern eingesetzt. Dieser Prozessor sitzt ebenfalls auf der Trägerplatine und kommuniziert mit den EPOS2 via CAN-Bus. Weitere EPOS2-Steuerungen, beispielsweise für Zuführsysteme oder Transfer-Achsen, oder auch andere CANopen-Geräte, könnten über Steckverbinder an den Master angeschlossen werden.

Dynamik stellt hohe Anforderungen an die Regelung

Hochdynamische Roboter wie der Pocket Delta, welcher 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 auch gekoppelt. Um auch bei hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten die Bahnfehler auf wenige μm reduzieren zu können, wird neben einer speziell ausgelegten Regelung auch eine Vorsteuerung mit der Berechnung der Bewegungsgleichungen des gesamten Roboters eingesetzt.

Die EPOS2-Module-36/2-Steuerungen 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 4). Mit einer optimierten Definition von PDOs mit möglichst kleiner Datenlänge sowie einer Aufteilung der verschiedenen Antriebssteuerungen auf 2 CAN-Busse können Zykluszeiten für die Regelung von deutlich unter einer Millisekunde erreicht werden.

Fazit

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 CANopen-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 Pocket-Delta-Roboter zeigt, ist es auch möglich, sehr anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen mittels CAN-Bus zu realisieren. <<

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