Bild 2. Gerades und bogenförmiges Motormodul: Die Module werden aneinandergereiht, wobei alle 3 m eine Einspeisung der 24-V-Steuer- und der 48-V-Leistungs­versorgung sowie eine Ethercat-Anbindung erfolgen.

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Da die Antriebsleistung bei diesem System nicht von einer zentralen Achse, zum Beispiel einem rotatorischen Motor und einer verbundenen Kette, aufgebracht wird, sondern sich auf die einzelnen Mover verteilt, kann ferner auf eine geringere Zwischenkreisspannung von 48 V mit effizienten Mosfet-Transistoren gewechselt werden. Diese Transistoren bieten den Vorteil von geringen leitenden Verlusten und kurzen Schaltzeiten, so dass eine Leistungselek­tronik mit einem Wirkungsgrad von über 99 % realisierbar ist.

Der Betrieb der H-Brücke erfolgt mit einer Schaltfrequenz von 32 kHz und einem FPGA-basierten Stromregler mit einer Update-Rate von über 300 kHz. Die Leistungselektronik ist rückspeisefähig und erlaubt einen Energie-Austausch zwischen Bereichen, in denen Mover abbremsen und generatorisch Energie zurückspeisen, und solchen, in denen motorische Energie entnommen wird. Die Integration der Leistungs- und Weg­erfassungs-Elektronik in die Motormodule reduziert zudem den im Schaltschrank benötigten Platz deutlich.

Des Weiteren wurde beim Motordesign Wert auf die Minimierung von Verlusten gelegt: So ist der Magnetkreis des Motors mit einem eisenbehafteten Doppelluftspalt ausgeführt. Dies ermöglicht eine effiziente Spulenausnutzung und die Reduzierung der Reibungsverluste in der Führung. Insgesamt kommt diese Anordnung bei einer Nenngeschwindigkeit von 4 m/s und einer Nennkraft von 30 N sowie Verlusten von etwa 12 W auf einen Wirkungsgrad von 90,9 %.

Bild 3. Vergleich zwischen einem Kreisbogen und einer Klothoide.

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Ein mechanisch kritischer Punkt bei einem umlaufenden Transportsystem ist der Übergang zwischen Gerade und Bogen. Verläuft dieser Übergang auf einer Kreisbahn, ergibt sich dort ein sinusförmiger Anstieg der Geschwindigkeit in y-Richtung. Als Folge der Beschleunigung entsteht ein sprung­förmiger Verlauf, der wiederum einen theoretisch unendlich hohen Ruck zur Folge hat und insbesondere die Führung stark belastet. Aus diesem Grund wurde das 180°-Bogen-Motormodul, inklusive der Führung, als Klothoide ausgeführt.

Eine Klothoide (blauer Verlauf in Bild 3) ist ein Kreisbogen, dessen Radius sich verändert. Am Anfang des Übergangs ist der Radius größer und wird dann bis zum Scheitelpunkt des Bogens kontinuierlich kleiner, bevor sich die Klothoide zur zweiten Gerade hin wieder öffnet. Dies führt zu einem kontinuierlichen Anstieg der Beschleunigung, wodurch sich die Lebensdauer der Mechanik erhöht.

Die Wegerfassung

Die Wegerfassung ist in das System in­tegriert und erlaubt die Berechnung der absoluten Position jedes Movers ohne aktive Bauelemente auf demselbigen. Das hier eingesetzte Prinzip des induktiven Wegsensors ist sehr robust gegenüber EMV-Störungen; man kann es sich wie einen abgewickelten Resolver vorstellen: Auf eine ebene Fläche werden eine Erregerwicklung und mehrere innenliegende sinus- und cosinusförmige Empfangsleiterschleifen aufgebracht. Auf dem Mover fährt parallel, mit einem Luftspalt von 0,5 mm zum feststehenden Wegsensor, eine Geberfahne aus einem leichten, robusten und faserverstärktem Material mit. Auf dieser Geberfahne sind mehrere metallische Flächen aufgebracht. Hierdurch findet eine Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Erregerwicklung statt, und in den Sekundärwicklungen lässt sich eine positionsabhängige Spannung messen. Diese Spannung hat einen zeitlich sinusförmigen Verlauf, wenn die Geberfahne beispielsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit über den feststehenden Sensor bewegt wird.

Aus den Spannungen, der inversen Tangensfunktion und einer festen Positionszuordnung der Sekundärwicklungen beziehungsweise deren Spannungen im System kann im IPC zentral die absolute Position aller Mover berechnet werden. Die Posi­tionsmessung ist damit kontaktlos und absolut für alle Mover, so dass keine weitere Referenzfahrt oder Bewegung zur Kommutierungsfindung notwendig ist. Im Übergang zwischen zwei Modulen ist in einem kurzen Überlappungsbereich eine Positionsberechnung aus beiden Modulen möglich. So kann die Position aller Mover nach dem Einschalten sofort berechnet werden. Weiterhin lässt sich in automatisierten Messfahrten nach dem Zusammenbau des Systems in der Maschine ein eventueller Positionssprung – hervorgerufen durch mechanische Einbau-Toleranzen – einlernen und ausgleichen.

Mit dem induktiven Verfahren sind durch eine geeignete Geometrie hohe Genauigkeiten erreichbar – etwa eine Stillstands-Wiederholgenauigkeit von weniger als 10 μm bei einer Positionsauflösung von rund 0,2 μm. Erregung, Abtastung und Digitalisierung erfolgen innerhalb einer Zykluszeit von 10 μs. Die Flächen einzelner Geberfahnen lassen sich so anpassen, dass ohne Reduzierung der Genauigkeit ihre Hardware-Identifikation und damit eine eindeu­tige Zuordnung der Servoachsen in der Applikationssoftware zu den realen Movern gegeben ist.

Ethercat – das verbindende Element

Eine wesentliche Voraussetzung zur Realisierung des linearen Transportsystems ist die schnelle und synchrone Kommunikation zwischen IPC und Hardware. Ein Motormodul mit einer Länge von 250 mm umfasst 132 Byte Prozessdaten, bestehend aus Stromsoll- und Stromist-Werten, Wegmessdaten sowie Steuer- und Statuswörtern. In einem 2 m langen Transportsystem mit einer abgewickelten Länge von 5 m, bestehend aus Bögen sowie Hin- und Rückweg, entstehen demnach rund 2640 Byte Prozessdaten, welche taktsynchron mit einer Zykluszeit von 250 μs in zwei Ethercat-Strängen übertragen werden. Dies entspricht einer Datenmenge von 84 Mbaud.

Das System ist auf verschiedene 100-MBaud-Ethercat-Stränge aufteilbar, so dass die Übertragung der Daten maximal die Hälfte der Zykluszeit von 250 μs benötigt. Gegebenenfalls bündelt ein Port-Multiplier die Prozess­daten der 100-MBit-Stränge zu einer 1-GBaud-Verbindung zum IPC und übernimmt – per Distributed Clocks – auch die Nanosekunden-genaue Synchronisation der angeschlossenen Hardware in den Strängen. In der restlichen Zykluszeit von mindestens 125 μs finden die folgenden Berechnungen der Servo-Algorithmen aller Mover statt:

• Achsverfolgung der verschiedenen Signale des Wegmesssystems,
• Positionsberechnung,
• Geschwindigkeitsberechnung,
• Feininterpolation der Achssollwerte,
• Positionsregelung,
• Geschwindigkeitsregelung,
• Lastfilter höherer Ordnung,
• Phasentransformation des Stromsollwertes auf die entsprechenden Hardwarekanäle.

Bild 4. Zeitliche Abfolge und Übertragung im System.

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Durch die kurzen Verzögerungszeiten in den FPGA-basierten Hardwarekomponenten (Wegerfassung und Leistungselektronik) erreicht dieses zentrale System vergleichbare Verzögerungs- und Zykluszeiten wie eine dezentrale Lösung; jedoch mit dem entscheidenden Vorteil, dass die einer Achse zugehörige Hardware über eine Achsverfolgungssoftware kontinuierlich weiterbewegt und umgeschaltet wird. Eine zusätzliche Kommunikation – und die dadurch bedingte Verzögerungen zwischen intelligenten Modulen – ist nicht erforderlich.

Die Systemänderung – weg von Achsen mit fester Zuordnung zwischen Regelung, Leistungselektronik, Motor und einem eigenen Bewegungsraum – erscheint aufgrund der Fülle von Daten, die im System übertragen und zugeordnet werden müssen, auf den ersten Blick abschreckend und kompliziert. Aus diesem Grund wurde bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf die Einfachheit und Bedienbarkeit für den Anwender gelegt.

Konfiguration und Maschinenprogrammierung

Mit einem einfachen Scan-Kommando in der Steuerungssoftware Twincat werden alle Hardwarekomponenten im System erkannt und in die Konfiguration aufgenommen. Der Stromregler ist bereits optimal auf die Einzelspulen und Mover abgestimmt. Die Zuordnung der einzelnen Prozessdaten im System erfolgt über einen XTS-I/O-Wizard. Dieser erkennt die angeschlossenen Systemkomponenten in der Konfiguration nach einem weiteren Scan-Kommando automatisch, zeigt sie grafisch an und bietet die Möglichkeit, die Stränge untereinander zu verschieben. Nach der Anordnung der Module erzeugt ein weiterer Mausklick alle Zuordnungen und Verknüpfungen, so dass sämtliche I/O-Daten in einem Servoachs-Interface zur Verfügung stehen. Die entsprechende Anzahl von Steuerungsachsen, inklusive ihrer Verknüpfung mit den Achs-Interfaces der Hardware, wird dann als SoftDrive aus einer Parameterdatei angelegt. Diese XML- beziehungsweise tmc-Datei kann eder Anwender auch selbstständig editieren, um die für seine Mechanik ermittelten Werte der Regelung einzustellen.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass sich alle Mover abwechselnd in demselben Fahrweg bewegen. Hierfür wurde eine XTS-Gruppe als Softwarekomponente entwickelt, welche die Abhängigkeiten der Mover untereinander überwacht, ohne dass sich der Applikationsprogrammierer weiter da­rum kümmern muss. Mit einer Kolli­sionsüberwachung ist auch das Weiterfahren im Stau automatisch möglich.

Ein Mover hat beispielsweise an einem Abgabepunkt ein Produkt an einen weiterführenden Produktionsschritt abgegeben. Nun bekommt er – kurz vor der Aufnahme eines neuen Produktes – als Zielposition eine Warteposition zugewiesen. Stehen mehrere Mover in einer Art Warteschlange, erkennt der neu heranfahrende Mover dies und bremst automatisch vor dem Ende der Schlange ab. Sobald der erste Mover einen neuen Auftrag bekommt und von der Warteposition losfährt, um sich auf ein neu einlaufendes Produkt zu synchronisieren, fahren alle Mover in der Warteschlange unter Einhaltung der eingestellten Dynamikparameter weiter. Erst wenn der Mover seine Zielposition erreicht hat, meldet er, dass die Bewegung abgeschlossen ist.

Jeder Mover kann jederzeit einen neuen Fahrauftrag bekommen. Dabei ist die Kollisionsüberwachung auf dem gesamten Fahrweg und in allen Bewegungen permanent aktiv.

Die Programmierung der einzelnen Fahrbefehle erfolgt aus Twincat PLC mit Standardbausteinen gemäß PLC-open. Die bekannten Motion-Sollwertgeneratoren einer modernen Steuerung, wie Roboter-Kinematik, „fliegende Säge“, Kurvenscheibe oder PTP-Posi-tionierung sind dabei ohne Einschränkung anwendbar.

Autor: Jan Achterberg arbeitet bei Beckhoff im Bereich Entwicklung Grundlagensoftware/Antriebstechnik.