Mit zunehmender Automatisierung der Fertigungslinien nehmen Mehrachsanwendungen zu. Bussysteme wie RS 485 geraten hier schnell an ihre Grenzen. Kein Wunder also, dass der einst als interner Bus für Fahrzeuge entwickelte CAN-Bus mittlerweile auch im industriellen Umfeld etabliert ist. Er schafft locker 50 und mehr Motoren und ist dabei gleichermaßen zuverlässig und robust.

In komplexen Applikationen, wie einer Industrienähmaschine oder auch in Anwendungen der Medizintechnik, bleibt es nicht aus, dass teilweise unterschiedliche Motortypen hinsichtlich Bauart und Leistung integriert und angesteuert werden müssen. Das stellt hohe Anforderungen an die Steuerungssysteme, da sämtliche Motoren „unter den Hut“ einer Master-SPS gebracht und gleichzeitig angesteuert werden müssen.

Die Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA) stellt bereits viele Spezifikationen für ein möglichst reibungsloses Zusammenspiel der einzelnen Komponenten in einem CAN-Bus bereit. Der CANopen-Standard CiA 402 legt zum Beispiel durch ein Motion-Control-Profil fest, wie die Achsbewegungen genau auszuführen sind. Somit existieren für alle Antriebskomponenten in einem CAN-Bus einheitliche Vorgaben, die für alle Produkte gelten und damit herstellerunabhängig ein einheitliches Bewegungs- und Leistungsniveau garantieren. Zu den bekannten Modi-Profilen zählen Positioning, Velocity, Interpolated, Torque und Homing. Diese fünf Modi werden von den angebotenen CAN-Steuerungen am Markt in der Regel unterstützt und gelten als State-of-the-art-Funktionalitäten. So ist es durch den Interpolated-Mode zum Beispiel möglich, Schrittmotorsteuerungen beziehungsweise Plug&Drive-Motoren wie die von Nanotec direkt über Bahnsteuerungen mit CANopen-Schnittstelle anzusteuern.

Zuerst die Motorleistung ermitteln

Bevor das Augenmerk auf die Steuerung fällt, steht allerdings die Entscheidung an, welcher Motor beziehungsweise welche Motoren erforderlich sind. Die Auswahl ist angesichts des umfangreichen Angebots nicht immer leicht. Allen voran sind die benötigte Baugröße und Motorleistung zu ermitteln, welche in erster Linie von den äußeren Massenbewegungen und deren Reibungsverhältnissen abhängt. Bei rotierenden Antrieben sind Drehmoment und Drehzahl die erforderlichen Kenngrößen, bei Linearbewegungen benötigt man dafür Vorschubgeschwindigkeit und Schubkraft.

Eine Parametrierungssoftware wie NanoCAN erlaubt ein schnelles Setzen des Nullpunkts im Homing Mode und des Kalibrierlaufs für Closed Loop.

© Nanotec

Da nicht alle Motoren einen einheitlichen Leistungsverlauf aufweisen, empfiehlt sich ein Blick auf die Kennlinien, die viele Anbieter bereitstellen. Weitere Auswahlkriterien sind Größe und Auflösung – also die Positioniergenauigkeit eines Motors –, die Drehzahlstabilität, Fehleranfälligkeit und ein geringer Ener­gieverbrauch. Anhand dieser Eigenschaften entscheidet sich dann, ob ein klassischer Schrittmotor, ein Linearaktuator, ein closed-loop-fähiger Schrittmotor, ein bürstenloser Servomotor oder eine Kombination verschiedener Motorentypen die optimale Wahl für die CAN-basierte Applikation ist.

Ein Schrittmotor ist dort ideal, wo feste Positionen anzufahren sind, da er elektrische Energie in präzise mechanische Bewegungen überträgt, wobei jeder elektrische Impuls seinen vorgegebenen Rotationswinkel zurücklegt. Eine Rückmeldung der Position erfolgt in der Regel nicht. Bei einem richtig dimensionierten Schrittmotor gibt es kein Pendeln um die Motorachse, wenn der Motor in seiner Nulllage verharrt, was bei Servomotoren oft zu Problemen führt. Werden Schrittmotoren allerdings überlastet, geht die Zuordnung zur Sollposition dauerhaft verloren, da aufgrund der offenen Steuerkette die Fehlposition nicht erkannt wird. Dieses als Schrittversatz bezeichnete Verhalten gilt als Nachteil dieses Motorentyps. Darüber hinaus ist bei kleineren Frequenzen das Resonanzverhalten stark ausgeprägt und eine kleine Lasterhöhung oder Drehmomentspitze lässt den Motor Schritte verlieren oder ihn sogar außer Tritt fallen – bis hin zum Stillstand.

Durch einen hochauflösenden Mikroschritt, durch den die Motorphasen sinusförmig bestromt werden, und die dspDrive-Technologie, durch die der Stromanstieg/-abbau in der Wicklung an die Motorinduktivität und Drehzahl angepasst geregelt wird, verbessert sich zwar die Laufruhe; die durch das magnetische Rastmoment des Motors bedingten Resonanzen sind aber trotzdem in bestimmten Frequenzbändern noch vorhanden. Kommt es zu solchen Schwingungen oder zur Überbelastung, sind Schrittfehler und Schrittverluste möglich. Fällt die Wahl auf einen klassischen Schrittmotor oder einen Plug&Drive-Motor mit integrierter Steuerung ist daher mindestens eine 20-prozentige Sicherheitsreserve einzukalkulieren. Oftmals werden sogar 30 bis 50 % empfohlen, das heißt, es müssen leistungsstärkere Motoren als eigentlich nötig erworben werden.

Dieses Manko kommt allerdings primär dann zum Tragen, wenn die Motoren open loop – also im offenen Regelkreis – gefahren werden. Die Technik ist hier bereits einen Schritt weiter und ermöglicht es, Schrittmotoren und Plug&Drive-Motoren im Closed-Loop-Modus zu betreiben. Closed-loop-fähige Schrittmotorantriebe haben den Vorteil, dass sie neben einer Fehlerkorrektur eine feldorientierte Stromregelung aufweisen. Sie arbeiten auch unter Volllast zuverlässig und der Motor hält sein hohes Drehmoment. Resonanzen treten hier praktisch nicht mehr auf. Bei Closed-loop-Schrittmotoren ist deshalb keine Sicherheitsreserve nötig, der Wirkungsgrad ist höher und das Laufverhalten deutlich ruhiger. Der Anwender kann folglich genau den Motor auswählen, der seiner Wunschleistung entspricht.

CAN-basierte Mehrachsanwendungen müssen aber nicht zwangsläufig mit Schrittmotoren arbeiten, sondern es können auch Servo-Motoren zum Einsatz kommen. Alle niederpoligen Servomotoren (zwei bis sechs Polpaare) haben ihren maximalen Wirkungsgrad bei über 2000 U/min. Darunter ist der Wirkungsgrad relativ klein und fällt dann wiederum bei größeren Drehzahlen langsam ab. Servomotoren benötigen daher bei Drehzahlen unter 1000 U/min immer ein Getriebe von mindestens 3:1 bis 10:1. Da der Getriebewirkungsgrad mit höherer Übersetzung und kleinen Belastungen stark abnimmt, fällt der Gesamtwirkungsgrad eines Servomotors mit Getriebe und 25 % Teillast auf unter 55 % Wirkungsgrad ab.

Demzufolge haben Servos einen um die Getriebeverluste höheren Energiebedarf und bei gleichem Ausgangs­drehmoment durch das Getriebe die doppelten Beschaffungskosten wie ein closed-loop-fähiger Schrittmotorantrieb. Wenn nur ein enger Bauraum zur Ver­fügung steht und es auf ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und eine schnelle Positionierung bei kurzen Distanzen ankommt, ist letzterer daher nicht nur die günstigere, sondern auch die technisch bessere und energieeffi­zientere Lösung.

Die Steuerung bestimmt die Dynamik

Sind die Leistungsanforderungen definiert und die Motortypen gewählt, kommt die Motor-Steuerung ins Spiel. Als Bindeglied zwi­schen der (Master-)SPS und dem eigentlichen Antrieb bestimmt sie maßgeblich die Dynamik einer mehrachsigen CAN-Anwendung und sollte demzufolge bestimmte Funktionalitäten mitbringen.

Die Motorsteuerung SMCI36 benötigt für eine Dauerleistung von 6 A (kurzzeitig bis 9 A/Phase) nur 12 bis 72 V Versorgungsspannung. Sie bietet Soft-SPS-Funktionalität, das heißt es sind komplette Ablauf­programme ohne übergeordnete Steuerung realisierbar.

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Besonders bei mehrachsigen Lösungen werden Steuerungsaufgaben oft direkt ins Feld verlagert, weshalb bei der Motorsteuerung eine ausreichende Zahl an I/Os empfehlenswert ist. So lassen sich zum Beispiel auch Sensoren direkt anklemmen. Die Master-SPS gibt nur noch den Startimpuls an die Motor-Steuerung weiter und erhält von dieser eine Rückmeldung entsprechend der eingestellten Parameter. Weitere wichtige Funktionen sind eine Netzwerkfähigkeit, die bis zu 127 Teilnehmer erreichen kann, sowie die Möglichkeit, die Adresse (Node-ID) über einen Hex-Codierschalter direkt am An­trieb einzustellen.

Außerdem sollten Node-Guarding und Heartbeat-Messages unterstützt werden, da sie die einwandfreie Zusammenarbeit der CANopen-Knoten sicherstellen – insbesondere dann, wenn ein CAN-Knoten nicht selbstständig seine Bereitschaft anzeigt. Während beim Node-Guarding der Kommunikationsstatus eines Slaves über den NMT-Master abgefragt und mittels CAN-Identifier angezeigt wird, sendet der Heartbeat-Producer quasi als Lebenszeichen in festgelegten Intervallen Heartbeat-Messages. Beide Verfahren lassen sich wahlweise verwenden, wobei dem Heardbeat-Producer der Vorzug zu geben ist. Der Grund: Node-Guarding hängt von der Verfügbarkeit des NMT-Masters ab, wohingegen Heartbeat-Messages von allen anderen Teilnehmern im Netz erkannt werden.

Die Einstellungen dieser Funktionen erfolgen über spezielle, für CAN optimierte Parametrisierungsprogramme wie NanoCAN. Darüber lassen sich nicht nur die Daten für die SDO- und PDO-Telegramme festlegen (Service Data Objects / Process Data Objects), sondern auch Analogeingänge dezentral auswerten. Sensoren können so beispielsweise direkt an die Motorsteuerung angeschlossen werden, über die der CAN-Master dann die Mess-Ergebnisse wie etwa Füllstand oder Temperatur ausliest.

Flexible Stromregelung spart Energie

Ansonsten gelten für Steuerungen auch im CAN-Umfeld die üblichen Anforderungen wie Energie-Effizienz und Flexibilität. Es versteht sich von selbst, dass Motorcontroller heutzu­tage die Ressource Strom sinnvoll einsetzen müssen. Digitale Signalprozessoren auf Basis der dspDrive-Technologie (12 Bit) messen den Strom der Motorstränge genau und passen die Zufuhr softwarebasiert der geforderten Leistung an. Diese flexible Stromregelung ist der große Unterschied zu den bisherigen Stromsteuerungsverfahren – etwa über die handelsüblichen Mikroschritt-Treiber-ICs oder über standardmäßig digitale Leistungsansteuerungen, welche die Vorgabe des Sollstroms nur mit 6 Bit bis 8 Bit auflösen.