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, 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 z.B. 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.
Steuerungen für Kleinantriebe mit hoher Performance
Für DC- und EC-Motoren mit 1 W bis 700 W Nennleistung bietet maxon motor 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. 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.
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. 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.
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 z.B. zusätzlich mit externen Sensoren (Vision, Encoder von Förderband) synchronisiert werden, ist diese Art der Bewegungsplanung und Regelung zu langsam.
Eine höhere Dynamik in der Bewegungsplanung 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 werden dann im "Profile Velocity Mode" betrieben, wobei darauf geachtet werden muss, dass Sollwerte sofort übernommen werden, andernfalls der Positions-Regelkreis nicht geschlossen werden kann. Die maxon EPOS2 Positioniersteuerungen bieten zusätzlich einen reinen "Velocity Mode", bei dem die Geschwindigkeits-Sollwerte 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 Steuerungs-Architektur deutlich höher, die Zykluszeiten liegen hier typischerweise bei 2-5 ms.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Positions- und Geschwindigkeitsregler im Master zu realisieren und den Antriebssteuerungen via CAN-Bus lediglich die Drehmoment-, resp. Stromsollwerte vorzugeben. CANopen spezifiziert dazu den "Profile Torque Mode" für Motion Control-Produkte. Die maxon EPOS2-Steuerungen bieten alternativ den "Current Mode", bei dem Stromsollwerte via CAN-Bus direkt dem Stromregler der EPOS2 zugeführt werden. Damit wird die hohe Dynamik, die bei eisenlosen Motoren nötig ist, erreicht.
Die direkte Kommandierung des Stromsollwertes ermöglicht es, im Master auch komplexere Regelungsal-gorithmen zu implementieren, wie dies z.B. 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.
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. 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 PocketDelta-Roboter zeigt, ist es auch möglich, sehr anspruchsvolle Motion Control-Anwendungen mittels CAN-Bus zu realisieren.
