Mechatronisch verknüpft

Konzepte - Die Entwicklung einer kompletten Antriebslösung erfordert Kompetenzen auf zahlreichen Fachgebieten. Ein Gemeinschaftsprojekt zweier Unternehmen der Antriebs- und Steuerungstechnik verdeutlicht den Nutzen des mechatronischen Ansatzes.

09. August 2007

Die Mechatronik soll Mechanik, Elektronik und Informatik verschmelzen und ein einheitliches Gesamtsystem beschreiben. Mechatronischen Systeme haben meist die Aufgabe, Informationen mittels Informatik, Aktorik, Sensorik, Elektronik und Elementen der Mechanik in kinetische Energie umzuwandeln. Eine typische Schwierigkeit sind meist die Schnittstellen der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem, da der Anwender dort viele Möglichkeiten hat.

Einen Lösungsansatz im Bereich der Kleinantriebe haben jetzt der schweizerische Kleinantriebshersteller Maxon Motor und der Mess- und Steuerungstechnikspezialist National Instruments gemeinsam vorgestellt. In einer Seminarreihe unter dem Motto »Motion under Control« präsentierten beide Unternehmen an sechs Terminen in Deutschland, Österreich und der Schweiz vor mehr als 300 Teilnehmern den Aufbau eines kompletten Antriebsstrangs vom Motor, Getriebe und Istwertgebern bis zu Motorsteuerung, Kommunikationsschnittstellen und der Programmierumgebung.

Möglich wird eine solche Zusammenarbeit in der Mechanik, Elektronik und Informatik speziell durch die Integrationsmöglichkeiten an den Schnittstellen zwischen Elektronik und Informatik. Als Beispiel für eine solche Integration präsentierten beide Unternehmen u.a. eine einachsige Positionieranwendung, bei der die Positions- und Geschwindigkeitsregelung über das graphische Programmiersystem LabVIEW von National Instruments erfolgt.

Mechatronisches Kreismodell

Diese kommuniziert über CANopen mit Maxons dezentralisierter Positioniersteuerung und dem Antriebsverstärker Epos. Die Komponenten bilden ein mechatronisches Kreismodell, das durch Produkte beider Firmen geschlossen wird. Für den physikalischen Bereich stellt Maxon Motor alle Produkte, während der Bereich Logik von National Instruments gestellt wird. Maxons Positioniersteuerung Epos lässt sich hinsichtlich der integrierten Induktivitäten und Leistungsgrößen flexibel an den jeweils eingesetzten Motor anpassen und enthält zudem den Regelungsalgorithmus sowie die Elektronik zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Motors. Somit ist die Verbindung zwischen Antriebselektronik und Motor in sich geschlossen. Die Verbindung der Aktorik zur Sensorik geschieht nach dem Baukastenprinzip auf Basis der zu bewegenden Last und der geforderten Genauigkeit. Der Encoder liefert dabei zugleich die Angaben der aktuellen Position bzw. Geschwindigkeit an die Positioniersteuerung und schließt damit den Regelkreis. Die Systemauslegung erfordert deshalb nur einen geringen Aufwand.

Der Übergang zum Bereich der Logik erfordert jedoch Kompetenzen, die ein einzelnes Unternehmen selten aufbringen kann. Die Kommunikation zur übergeordneten Anwendung und deren Steuerung, etwa auf einem PC, geschieht dabei über genormte Schnittstellen wie PCI, Profibus, CAN oder CANopen. Bei dezentralisierten Einheiten wie dem Epos ist CANopen in der Hardware implementiert. Da alle CAN-Karten von National Instruments CANopen-fähig sind, gibt es zahlreiche Zielanwendungen.

Die letzte Schnittstelle schließen

Die Systeme lassen sich durch PXI-CANKarten industrietauglich aufbauen oder mit PCI-CAN-Karten in Laborumgebungen realisieren. PCMCIA- und USB-CAN-Karten ermöglichen den mobilen Einsatz. Somit ist die letzte Schnittstelle des mechatronischen Kreises geschlossen. Kompliziert scheint dabei allerdings der Bereich der Informatik für die Programmierung einer Motorsteuerungsanwendung mit CANopen. Diese erfordert in der Regel die Definition zahlreicher sogenannter Objekte, etwa Servicedatenobjekte zur Parametrisierung von Objektverzeichniseinträgen, Prozessdatenobjekte zum Transport von Echtzeitdaten, Netzwerkmanagement-Objekte zur Steuerung des Zustandsautomaten des CANopen-Geräts und zur Überwachung der Knoten sowie weitere Objekte wie Synchronisation, Zeitstempel und Fehlernachrichten.

Konfiguration erleichtert

Viel einfacher wird diese Aufgabe durch eine kostenfreie Kommunikationsbibliothek von Maxon für die Programmierung der CAN-Schnittstellenkarten von National Instruments mit Hilfe von LabVIEW. Damit lassen sich die Funktionen zur Positionierung des Motors und die Parameter zur Motorsteuerung aus übersichtlichen Gruppen auswählen. Das erleichtert es, die Applikationen zu konfigurieren und mit anderen Komponenten wie etwa einer Bildverarbeitung zu synchronisieren.

Der grafische Entwicklungsansatz von Lab- VIEW unterstützt damit Ingenieure und Wissenschaftler bei der Erstellung von skalierbaren Mess-, Prüf-, Steuer- und Regelanwendungen und ermöglicht ihnen, auch ohne Programmiererfahrung, die Hardware schnell in ihre Lösung einzubinden, Daten zu analysieren sowie gewonnene Ergebnisse zu visualisieren oder abzulegen. Die Arbeitsweise mit Blockdiagrammen repräsentiert den realen Fluss von Daten und ordnet intuitiv Bedien- und Anzeigeelemente auf der Benutzeroberfläche zu, sodass sich Daten oder Steuerungseingaben bequem ansehen und ändern lassen.

Gerade für Ingenieure, die die Informatik vor allem als Hilfsmittel zur Lösung einer bestimmten Aufgabe ansehen, ermöglicht die Verwendung von LabVIEW in Kommunikation mit der Epos-Kommunikationsbibliothek damit eine schnellere und einfachere Erstellung einer Motorensteuerungsanwendung, als die Entwicklung mit textbasierten Programmiersprachen.

Alexander Rudolph, National Instruments/bt

Erschienen in Ausgabe: 05/2007