30.03.2021

Miniaturisierte Motorsteuerungsmodule von Maxon für anspruchsvolle Anwendungen

Kompakte mehrachsige Systemkonzepte

Robotik-, Analyse- und Handling-Systeme benötigen die kompakte Integration einer grossen Zahl von energieeffizienten und kompakten Antrieben. Diese gilt es mit hochdynamischen Reglern und vernetztem Kommunikationssystemen zu kombinien. Maxon bietet für solche Anwendungen seine Motorsteuerungsmodule Epos4 Micro.


Insbesondere Operationsroboter, Analysegeräte der Medizinal- und Labortechnik sowie Multileaf-Kollimatoren in der Bestrahlungstechnik sind auf miniaturisierte Antriebssysteme angewiesen, die aufgrund eines hohen Wirkungsgrades dicht gepackt installiert werden können. Zum passenden Antriebspaket gehören neben Motoren aber ebenso kompakte, vernetzbare Motorsteuerungen, die direkt im Gerät dicht bei den Motoren und Sensoren integrierbar sind.

Miniaturisierte Motorsteuerungen

Wichtigste Merkmale der Motorsteuerungen sind eine hohe Energieeffizienz und eine hohe Leistungsdichte für die platzsparende Integration aller Komponenten. Ebenso bedeutend sind Anschlüsse für diverse Sensoren und Aktoren sowie eine schnelle Busschnittstelle. Die Epos4-Micro-Module bieten einen hohen standardisierten Funktionsumfang, moderne Regleralgorithmen, eine kompakte Leistungsendstufe sowie eine CANopen- oder Ethercat-Schnittstelle - und sind dabei ähnlich gross wie eine Briefmarke (ab 32x22x7mm). Gerätehersteller können die Plug-in-Module in der eigenen Elektronik in der benötigen Achsanzahl integrieren. Das ermöglicht kostengünstige Mehrachssysteme mit sehr kompakten Abmessungen.

Rückgrat des Gesamtsystems

Über die Busschnittstelle werden von jeder Antriebseinheit mit dem Master-Controller, z.B. der SPS, im schnellen zyklischen Takt Befehls- und Zustandsdaten ausgetauscht. Gängige Feldbussysteme sind hierbei CANopen und Ethercat. Letzteres Industrial-Ethernet-Protokoll bietet aufgrund hoher Übertragungsraten insbesondere Vorteile bei komplexen Mehrachsanwendungen, besitzt aber den Nachteil zusätzlich notwendiger Hardware und der großen, standardisierten RJ45-Anschlussstecker bei der Kopplung als Einzelachsen. Die Baugröße der Steuerung und Busstecker kann bei Handgeräten und der Robotik bisweilen zum Ausschlusskriterium für Ethercat werden.

Bei Ethercat werden induktive Übertrager eingesetzt, um DC-Signalkomponenten aufgrund von Potentialunterschieden auszublenden, sowie Störungen zu unterdrücken und die Signalintegrität sicherzustellen. Diese Bauteile und der RJ45-Stecker benötigen auf der Leiterplatte jedoch viel Bauraum und sind kostentreibend, sofern diese für jede einzelne Antriebssteuerung integriert werden müssen. Bei der Integration mehrerer Epos4-Micro-Module auf einem gemeinsamen Elektronik-Board besteht alternativ die Möglichkeit, die Ethercat-Ports intern über eine kapazitive Kopplung sehr kompakt und kostensparend zu verbinden. So werden nur noch für den externen Ethercat-Anschluss RJ45-Stecker benötigt. Maxon bietet basierend auf diesem Prinzip einen sehr kompakten Multiachscontroller mit 90x56mm Baufläche an, bestückt mit drei Epos4-Micro-24/5-Ethercat-Modulen an.

Einfach zu integrieren

Der Datenaustausch und die Kommandierung der Epos4 Micro über CANopen oder Ethercat folgt dem CiA-402-Protokoll (Device Profile for Drives and Motion Control). Unterstützt werden die standardisierten Betriebsarten Profile Position Mode (PPM), Profile Velocity Mode (PVM), Homing Mode (HM), Cyclic Synchronous Position (CSP), Cyclic Synchronous Velocity (CSV) sowie Cyclic Synchronous Torque (CST). Als standardisierter Motion Control Slave kann die Epos4 Micro wie alle Varianten der Motorsteuerungsfamilie in die Systemmanager-Tools und Motion Libraries von verschiedenen SPS-Herstellern eingebunden werden. Anwendungen, die von einem PC oder Raspberry Pi via der Epos Command Library kommandiert werden, sind ebenfalls möglich.

Die Epsos4 ist unterster Informationslieferant im IIoT-Umfeld einer Maschine bzw. des Antriebsstrangs. Auf Motorströme und Drehmomente, Drehzahlen, Positionswerte, Fehlerzustände, Temperatur- und Lastwerte von Steuerung und Motor, sowie Sensoren- und Aktorenzustände kann über die Epos4-Busschnittstellen zugegriffen oder die Daten zyklisch übertragen werden.

Die Epos4 Micro besitzt mit 25kHz Stromreglertakt und 2.5kHz Drehzahl-/Positionsreglertakt identische Taktraten wie alle anderen Varianten der Produktlinie. Moderne Reglerkonzepte wie Field Oriented Control (FOC), Feed Forward und Observer Control, sowie die Dual-Loop-Regelung erlauben auch beim Micro-Modul eine hohe Motorperformance und Bewegungspräzision. Die Dual-Loop-Regelung mit einem Inkrementalgeber auf der Motor- und einem SSI-Absolutgeber auf der Abgangswelle ermöglicht eine präzise Positionierung der Last auch bei spielbehafteten oder elastischen Antriebssystemen.

Empfehlungen der Redaktion

Vielseitig und Leistungsstark

Epos4 Micro unterstützt bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren mit Hall-Sensoren, Digital-Inkrementalgebern und SSI-Absolutgebern. Insgesamt fünf digitale Eingänge, drei digitale Ausgänge, zwei analoge Eingänge (±10V) und ein analoger Ausgang (±4V) erlauben die Anbindung und Auswertung zusätzliche Aktoren und Sensoren. Das Motorsteuerungsmodul bietet eine Leistungsdichte von größer 50W Spitzenleistung pro cm2 Baufläche ohne zusätzliche Kühlung bei einer Umgebungstemperatur von -30 bis +45°C. In der Praxis bedeutet dies eine Dauerabgabeleistung von 120W und Spitzenleistung von 360W während 10s bei einem Flächenbedarf für Controller und Leistungsendstufe von nur 32x22mm (Epos 24/5 Micro CAN) und 7mm Dicke.

Die intuitive Inbetriebnahme-Software Epos Studio bietet mit dem Startup Wizard eine geführte Grundkonfiguration sowie ein automatisches Tuning aller Reglerparameter, auch für komplexe Dual Loop Reglerstrukturen.

Systempartner: Mehr als nur Produkte

Maxon bietet mit seinem Support-Portal und verschiedenen Dienstleistungen mehr als nur Katalogprodukte. Für die Integration von der Epos4 Micro auf kundenspezifischen Elektronik-Boards steht der Hersteller auch als Entwicklungs- und Produktionspartner zu Verfügung. Maxon ist in diesem Fall nicht nur Produktlieferant, sondern übernimmt als Engineering-Partner Systemverantwortung im Bereich der Antriebstechnik. Ein frühzeitiger Informationsaustausch und Ideenfindung gemeinsam mit Maxon ist hierbei der erste Schritt zu einer technisch wie kommerziell passenden Lösung.

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