Der Bus macht´s

Sonderteil Schweiz innovativ

Positioniersteuerung – Mikrocontroller mit integrierter CAN-Schnittstelle ermöglichen eine kostengünstige Realisierung komplexer Bewegungsabläufe auch bei kleinen Geräten mit Miniaturantrieben.

17. Juni 2011

Ein weit verbreitetes Feldbussystem zur Ansteuerung von Antrieben ist der CAN-Bus. Obwohl das System als Kommunikationsbus für Leitungslängen von mehreren Metern konzipiert wurde, genießt der CAN-Bus heute auch innerhalb kompakter Maschinen und Apparate eine hohe Akzeptanz. Speziell für solche Anwendungen unter engen Platzverhältnissen hat der Kleinantriebsantriebsspezialist Maxon Motor aus Sachseln im Kanton Obwalden die extrem kompakten Positioniersteuerungen der Baureihe EPOS2 mit CANopen-Schnittstelle entwickelt, mit der sich permanenterregte bürstenbehaftete DC- und bürstenlose EC-Motoren steuern lassen. Die Verwendung des standardisierten CANopen-Protokolls nach CiA 301 und der gerätespezifischen Profile wie CiA 402 verringert den Entwicklungsaufwand für die Steuerungssoftware erheblich und erleichtert zudem den Austausch einzelner Komponenten. Als Kommunikationsschnittstellen stehen neben CANopen auch USB und RS232 sowie Gateway-Funktionen von USB oder RS232 zu CAN zur Verfügung.

Die Steuerungen eignen sich für Motoren mit Nennleistungen von 1 Watt bis 700 Watt und mit Encodern mit einer Auflösung bis 2.500.000 Impulsen bei einer Encoder-Eingangsfrequenz bis fünf Megahertz; EC-Motoren lassen sich mit Drehzahlen bis 100.000 U/min betreiben. Speziell für den Einsatz in kompakten Maschinen bietet Maxon die Steuerungen EPOS2 24/2 mit bis zu 48 Watt Nennleistung sowie die EPOS2-Module 36/2 mit 72 Watt Nennleistung für OEMs.

Zahlreiche Betriebsarten

Die Kleinststeuerungen unterstützen eine Vielzahl von Betriebsarten, etwa Position, Velocity oder Current Mode. Dazu kommen Funktionen wie der »Step/Direction Mode« zur schrittweise geregelten Bewegung der Motorachse, oder der »Master Encoder Mode« für Einsätze des Antriebs als elektronisches Getriebe. Die Betriebsarten »Profile Position Mode« oder »Profile Velocity Mode« ermöglichen die unabhängige Bewegung mehrerer Antriebe, die für viele mehrachsige Anwendungen ausreicht. Um mehrere Antriebe zusätzlich synchron zu bewegen, spezifiziert CANopen zum Beispiel den »Interpolated Position Mode«, bei dem die Maschinensteuerung regelmäßig aus Position und Geschwindigkeit bestehende Stützpunkte generiert, aus denen die Positioniersteuerung durch lineare oder kubische Interpolation Sollwerte für die Positionsregelung errechnet. Die Perioden zwischen den Stützpunkten von typischerweise 10 bis 100 Millisekunden reduzieren die Buslast und stellen nur geringe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Bus-Master. Mögliche Anwendungen sind das automatische Nachführen von Teleskopen und Solarpanels, oder das Steuern von Werkzeugmaschinen mit fest vorgegebenen Bewegungen der Achsen, allerdings ist diese Art der Bewegungsregelung zu langsam, wenn die Bewegung zum Beispiel zusätzlich mit externen Sensoren synchronisiert werden muss.

Eine höhere Dynamik 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. Die Steuerungen arbeiten dann im »Profile Velocity Mode«, bei dem die Geschwindigkeits-Sollwerte direkt der Regelung zugeführt werden. Die Buslast und die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit des Masters sind bei dieser Steuerungs-Architektur deutlich höher, die Zykluszeiten liegen hier typischerweise bei 2 bis 5 Millisekunden.

Hohe Dynamik ermöglicht auch der »Profile Torque Mode«, bei dem Positions- und Geschwindigkeitsregler im Master realisiert werden, während der CAN-Bus den Antriebssteuerungen lediglich die Drehmoment- oder Stromsollwerte vorgibt. Die EPOS2-Steuerungen bieten alternativ den »Current Mode«, bei dem Stromsollwerte via CAN-Bus direkt dem Stromregler der EPOS2 zugeführt werden, und damit die hohe Dynamik erreichen, die bei eisenlosen Motoren nötig ist.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011