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EF 2019

Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Antriebe Motorsteuerung

Antriebe Motorsteuerung mit speziellem Pulssteuer-IC statt mit einer CPU Dieser Artikel beschreibt, warum eine Bewegungssteuerung besser mit einem speziell dazu geeigneten Pulssteuer-IC statt mit einer CPU realisierbar ist. Bild 1: Lineare Beschleunigung/Verzögerung: jedes Mal, wenn sich die Geschwindigkeit ändert, rüttelt der Motor, weil das Bewegungsprofil nicht gleichmäßig ist aus dem Tritt zu geraten. Das ist so, als möchten Sie mit einem Auto mit Handschaltgetriebe im fünften Gang losfahren. Der einzig wirksame Weg, um die schwere Last in Bewegung zu bringen, ist, mithilfe von einem Getriebe die Geschwindigkeit langsam hochzuschalten. Auch wenn sich eine schwere Last mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt, verhindert das Massenträgheits- oder Inertial-Moment, dass sie sofort anhält; die Bewegung muss sich verlangsamen, bevor sie von der langsameren Geschwindigkeit letztendlich zum Anhalten kommt. Geht die Verzögerung zu schnell, kann es durch Aufprall oder Schock zu Beschädigungen an dem Gerät führen. Lineare Beschleunigung/ Verzögerung Halle 4, Stand 490 Dynetics GmbH info@dynetics.eu www.dynetics.eu Bild 3: Die Verkürzung der Impulsdauer verlangt eine Neuberechnung des Impulses Die Kenntnis der optimalen Beschleunigungs- und Verzögerungs-Steuerung ist nicht nur notwendig, um eine schnelle und präzise Positionierung zu gewährleisten, sondern auch wichtig um eine Beschädigung der Komponenten während des Vorgangs zu vermeiden. Betrachten wir als Beispiel einen einfachen Schrittmotor, womit eine schwere Last in Bewegung gebracht werden soll: Leider wird der Motor nicht in der Lage sein, genügend Kraft zu erzeugen, um die Last vom Stillstand umgehend auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen, ohne ist eine einfache Funktion (Bild 1), es entsteht aber ein Ruck am Anfang und am Ende jeder Geschwindigkeitsänderung. Die Realisierung eines S-kurvenförmigen Verlaufs (Bild 2) resultiert in eine Beschleunigung/Verzögerung, die viel sanfter verläuft mit weniger Auswirkungen auf die Belastung beim Drehzahlwechsel. Lineare und S-Kurven- Bewegungsprofile können auch kombiniert genutzt werden, damit es weniger rüttelt und sich gleichzeitig die Belastung am Motor verringert. Wenn die Anwendung sehr empfindlich ist – wie z. B. bei der Bearbeitung von Halbleiterwafers oder ICs – reduziert eine S-Kur- Bild 2: S-Kurven Beschleunigung/Verzögerung: sanftere Bewegungsänderungen 74 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019

Antriebe LSI (Large Scale Integration) Die Entwicklung der integrierten Schaltung war im Wesentlichen durch die Dichte der Transistoren auf einem Chip bestimmt. Da sich die Dichte im Laufe der Entwicklung um viele Zehnerpotenzen erhöht hat, hat man für die Anzahl der Bauteile auf einem Chip u. a. die Bezeichnung Large Scale Integration (LSI) eingeführt. LSI-Bausteine haben eine Integrationsdichte von 1000 bis 10.000 Transistoren pro Chip. In dieser Technologie werden Analog-Digital-Schaltungen, Speicherbausteine und Mikroprozessoren ausgeführt. Die Nachfolgetechnologie von Large Scale Integration ist Very Large Scale Integration (VLSI). Bild 4: Nur mit CPU schwierig zu beantwortende Fragen Bild 5: Controller-ICs PCL6100 von NPM ven-Beschleunigung/Verzögerung das Risiko von Beschädigungen. Was ist ein Pulssteuerungs- LSI/ASIC-Chip? Für den Betrieb eines Motors braucht man ein Gerät oder eine Schaltung, mit der man ein Geschwindigkeits- und Richtungssignal erzeugt. In vielen Fällen werden Geräte eingesetzt, die auf einer CPU oder einem FPGA basieren, da diese programmierbar sind und Impulse erzeugen können. Es ist dabei aber noch weit bis zu einer effizienten Lösung. Ein Pulssteuer-LSI-Chip ist ein Halbleiterbaustein für die optimierte Motorsteuerung. Hersteller haben verschiedene Namen für diese Art von Controllern: Bewegungssteuerungs-IC, Motor Control LSI, Pulsgenerator, ASIC etc. Die Entwicklung ist mit diesen Bausteinen sehr einfach. Der Entwickler kann sich effizient darauf konzentrieren, die gewünschten Einstelldaten und Befehle für seine Anwendung sowohl für die lineare als auch für die S-Kurven-Beschleunigung/Verzögerung zu entwerfen, ohne die CPU dabei zu belasten. Auch die gesamte Entwicklungszeit wird davon profitieren. Ist eine Pulssteuerung mit CPU zu komplex? Um Pulssignale nur mit einer CPU zu generieren, muss man ein Programm schreiben, wobei Zähler oder Timer verwendet werden, um damit den Ausgang rechtzeitig ein- und auszuschalten. Mit einer konstanten Frequenz ist dies mit einer CPU noch recht einfach zu realisieren, aber es kann ziemlich lästig sein, wenn eine ständig wechselnde Beschleunigung/Verzögerung verlangt wird. Bild 3 will das skizzieren. Die CPU wird auch durch die Berücksichtigung von weiteren Motion-Control-Anforderungen stark belastet, und andere gleichzeitig zu erfüllende Aufgaben gelingen schwieriger. Nur eine Hochleistungs-CPU oder ein Signalprozessor wird es schaffen! Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die Pulszeit kürzer. Es gibt zwei allgemeine Methoden, um die Beschleunigung/Verzögerung zu verwirklichen: Man kann eine CPU verwenden, um die Pulszeit schrittweise zu verkürzen (dies stellt für die CPU eine große Herausforderung dar), oder die Interrupt-Methode der Treppenstufen-Beschleunigung/Verzögerung verwenden. Wird eine CPU eingesetzt, um die Pulszeit zu verkürzen, gilt es, verschieden Faktoren zu betrachten: Bild 6: Die neuen PMX-Module bieten viele Möglichkeiten • Anzahl der Pulse, die insgesamt zu generieren sind • Punkt, an dem der Motor mit der Verzögerung beginnen soll • Sicherstellung, dass sich die Geschwindigkeit auch genau gemäß der Anlaufgeschwindigkeit (FL-Geschwindigkeit) ändert • Da, basierend auf der Anzahl der abgegebenen Pulse, die aktuelle Position der Welle nicht festgelegt werden kann, ist ein absoluter Encoder notwendig. • Was soll mit dem Signal geschehen, wenn der Motor und/oder der Controller mit einem externen Signal (z. B. Notstopp-Befehl) gestoppt wird? Die Entwicklung von Software für eine CPU ist u. a. darum sehr arbeitsintensiv. Diese und andere Anforderungen werden die erforderlichen Funktionen und die benötigte Leistung der CPU stark beeinflussen. Die Entwicklung der Lösung für Beschleunigungs-/Verzögerungsprogramme ist mit einem Pulssteuer- LSI-IC viel einfacher. Die komplette Durchlaufzeit vom Entwicklungs- Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019 75

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel