EPOS2 – kompakte Steuerungen mit CANopen-Schnittstelle für Kleinantriebe

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EPOS2 im Anwendungsbeispiel PocketDelta-Roboter

Für Anwendungen in der Mikrotechnik hat die Firma asyril S.A. aus Villaz-St-Pierre (Schweiz) einen Kleinstroboter mit einer Delta-Kinematik entwickelt. Diese Roboterkinematik führt eine kleine Plattform mit dem Greifwerkzeug durch Parallelogramme im 3D-Raum.

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, was höchste Beschleunigungen und Geschwindigkeiten ermöglicht.

Als Antriebe kommen maxon-EC-i-Motoren mit 40 mm Durchmesser und 50 W Nennleistung zum Einsatz. Diese Motoren zeichnen sich dank innenliegendem, mehrpoligem Rotor durch kleine Zeitkonstanten und damit hoher Dynamik sowie durch eine hohe Drehmomentdichte aus. Betrieben werden sie von Positioniersteuerungen des Typs EPOS2 Module 36/2. Diese modularen, sehr kompakten Steuerungen sind in die Kartensteckplätze einer Trägerplatine gesteckt, welche spezifisch für kleine Roboter mit bis zu vier Antrieben entwickelt wurde (Bild 6).

Als Master-Steuerung dient ein ARM11-Prozessor mit integrierten CAN-Controllern. Dieser Prozessor sitzt ebenfalls auf der Trägerplatine und kommuniziert mit den EPOS2 via CAN-Bus. Weitere EPOS2-Steuerungen (z.B. für Zuführsysteme oder Transfer-Achsen) oder auch andere CANopen-Geräte könnten über Steckverbinder an den Master angeschlossen werden.

Hochdynamische Roboter wie der PocketDelta, welcher Beschleunigungen von 5g 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 zwei CAN-Busse können Zykluszeiten für die Regelung von deutlich unter 1 ms 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 motor CANopen-fähige Antriebslösungen auch für minimale Platzverhältnisse. Aufgrund der Unterstützung verschiedener Betriebsmodi, einschliesslich dem Interpolated Position Mode lassen sich mehrere Antriebe auch einfach via CAN-Bus synchronisieren. Wie das Beispiel der Steuerung für den PocketDelta-Roboter zeigt, ist es auch möglich, sehr anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen mittels CAN-Bus zu realisieren.

* * Marcel Honegger ... ist Projektleiter Mechatronik bei maxon motor ag, Sachseln/Schweiz.

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