EPOS2 – kompakte Steuerungen mit CANopen-Schnittstelle für Kleinantriebe

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Synchronisation von mehreren Antrieben mit CANopen

Für viele mehrachsige Anwendungen reicht es aus, wenn deren Antriebe unabhängig voneinander bewegt werden. Die Antriebssteuerungen nutzen dazu typischerweise die Betriebsart Profile Position Mode oder Profile Velocity Mode. Um nun mehrere Antriebe synchron zu bewegen, wie dies für viele mehrachsige Positioniersysteme gefordert wird, spezifiziert CANopen diverse Möglichkeiten. 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 bis 100 ms, womit die Bus-Last und die Echtzeitanforderungen an den Bus-Master gering sind. Ein Nachteil dieser Betriebsart 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 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.

Eine höhere Dynamik in der Bewegungsplanung lässt sich erreichen, wenn die Bewegungsplanung und ein Teil der Antriebsregelung vollständig im CANopen-Master vorgenommen wird, etwa mit einem Positionsregler im Master und unterlagertem Geschwindigkeitsregler in den Antriebssteuerungen (Bild 3). Die Steuerungen werden dann im Profile Velocity Mode betrieben, wobei darauf zu achten ist, dass Sollwerte sofort übernommen werden, andernfalls sich der Positionsregelkreis nicht schließen lässt.

Die EPOS2-Positioniersteuerungen von maxon bieten zusätzlich einen reinen Velocity Mode, bei dem die Geschwindigkeitssollwerte direkt der Regelung zugeführt werden, was zu einer hohen Regeldynamik führt. Die Bus-Last 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.

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 erzeugt die hohe Dynamik, die bei eisenlosen Motoren nötig ist.

Die direkte Kommandierung des Stromsollwertes ermöglicht es, im Master auch komplexere Regelungsalgorithmen zu implementieren, wie dies z.B. für Robotersysteme mit nichtlinearer Dynamik erforderlich ist. Allerdings verlangt 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 (Tabelle). Schon eine gewünschte Zykluszeit von 0,5 ms bei nur zwei Antrieben auf einem CAN-Bus führt bereits zur CAN-Bus-Auslastung von rund 80%.

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