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EPOS4 – Echt mikro!

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Robotik-, Analyse- und Handlingsysteme benötigen eine kompakte Integration einer grossen Zahl von energieeffizienten, kompakten Antrieben kombiniert mit hochdynamischen Steuerungen und vernetztem Bus-System. maxon stellt sich der Herausforderung. 

Anforderung: Kompakte mehrachsige Systemkonzepte

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

Im Fokus: 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 Aktuatoren sowie eine schnelle Bus-Schnittstelle. Die EPOS4 Micro Module bieten einen hohen standardisierten Funktionsumfang, modernste Regleralgorithmen, eine kompakte Leistungsendstufe sowie eine CANopen- oder EtherCAT-Schnittstelle – und sind dabei ähnlich gross wie eine Briefmarke (ab 32 × 22 × 7 mm). Gerätehersteller können die Plugin-Module in der eigenen Elektronik in der benötigten Achsanzahl integrieren. Dies ermöglicht kostenoptimierte Mehrachssysteme mit kompaktesten Abmessungen. 

Bus-Schnittstelle als Rückgrat des Gesamtsystems 

Über die Bus-Schnittstelle werden von jeder Antriebseinheit mit dem Master Controller (z. B. SPS oder maxon MasterMACS) im schnellen zyklischen Takt Befehls- und Zugriffsdaten ausgetauscht. Gängige Feldbus-Systeme sind hierbei CANopen und EtherCAT. EtherCAT bietet aufgrund höchster 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 des Bus-Steckers kann bei Handgeräten und der Robotik teilweise zum «Killerkriterium» für EtherCAT werden. 

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Kopplung via RJ45 extern. Kapazitive Kopplung intern auf 3-Achs-Board. 

«Micro» auch mit EtherCAT

Bei EtherCAT werden induktive Übertrager eingesetzt, um DC-Signalkomponenten aufgrund von Potenzialunterschieden 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 auf einer gemeinsamen Elektronikplatinebesteht 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 extrem kompakten Mehrachs-Controller mit 90 × 56 mm Baufläche (etwa so gross wie eine Visitenkarte), bestückt mit drei EPOS4 Micro 24/5 EtherCAT-Modulen, an.

«Micro» und einfach zu integrieren

Der Datenaustausch und die Befehlsfunktionen der EPOS4 Micro über CANopen oder EtherCAT folgen dem Protokoll CiA® 402 («Device Profile for Drives and Motion Control»). Unterstützt werden die standardisierten Betriebsarten «PPM – Profile Position Mode», «PVM – Profile Velocity Mode», «HM – Homing Mode», «CSP – Cyclic Synchronous Position», «CSV – Cyclic Synchronous Velocity» sowie «CST – Cyclic Synchronous Torque» Als standardisierter Motion Control Slave kann die EPOS4 Micro (wie alle EPOS4-Varianten) in die Systemmanager-Tools und Motion Libraries von verschiedenen SPS-Herstellern eingebunden werden. Anwendungen, die von einem PC oder Raspberry Pi via EPOS Command Library von maxon kommandiert werden, sind ebenfalls möglich.

«Die Dual Loop Control mit einem Inkremental-Encoder auf der Motor- und einem SSI-Absolutgeber auf der Abgangswelle ermöglicht eine präzise Positionierung der Last.»

«Micro» und bereit für IIoT

Die EPOS4 ist unterster Informationslieferant im IIoT-Umfeld («Industrial Internet of Things») einer Maschine bzw. des Antriebsstrangs. Auf Motorströme und Drehmomente, Drehzahlen, Positionswerte, Fehlerzustände, Temperatur- und Lastwerte von Steuerung und Motor sowie Sensoren- und Aktuatorenzustände kann über die EPOS4-Bus-Schnittstellen zugegriffen werden, oder die Daten werden zyklisch übertragen.

«Micro», aber multifunktional

Die EPOS4 Micro besitzt mit 25-kHz-Stromreglertakt und 2.5-kHz-Drehzahl-/Positionsreglertakt identische Taktraten wie alle anderen Varianten der EPOS4-Produktlinie. Modernste Reglerkonzepte wie Field Oriented Control (FOC), Feed Forward und Observer Control sowie die Dual Loop Control erlauben auch bei der EPOS4 Micro eine maximale Motorperformance und Bewegungspräzision. Die Dual Loop Control 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. 

«Micro», aber vielseitig

EPOS4 Micro unterstützt bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren mit Hall-Sensoren, digitalen Inkremental-Encodern und SSI-Absolutgebern. Insgesamt 5 digitale Eingänge, 3 digitale Ausgänge, 2 analoge Eingänge (+/–10 V) und 1 analoger Ausgang (+/–4 V) erlauben die Anbindung und Auswertung zusätzlicher Aktuatoren und Sensoren.

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EPOS Studio: Dual-Loop-Control-Feineinstellung. 

«Micro», aber leistungsstark

EPOS Micro bietet eine Leistungsdichte von mehr als 50 W Spitzenleistung pro cm2 Baufläche ohne zusätzliche Kühlung bei einer Umgebungstemperatur von -30 °C bis +45 °C. In der Praxis bedeutet dies eine Dauerabgabeleistung von 120 W und Spitzenleistung von 360 W während 10 Sekunden bei einem Flächenbedarf für Controller und Leistungsendstufe von nur 32 × 22 mm («EPOS 24/5 Micro CAN») und 7 mm Dicke.

«Micro», auch bei der Inbetriebnahme

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

Mehr als nur Produkte: maxon als Systempartner

maxon bietet mit dem Support-Portal support.maxongroup.com und verschiedensten Dienstleistungen weit mehr als nur Katalogprodukte. Für die Integration der EPOS4 Micro auf kundenspezifischen Elektronikplatinen steht maxon auch als Entwicklungs- und Produktionspartner zur Verfügung. maxon ist in diesem Fall nicht nur Produktlieferant, sondern übernimmt Systemverantwortung als kompetenter Engineeringpartner im Bereich der Antriebstechnik. Ein frühzeitiger Informationsaustausch und die Ideenfindung gemeinsam mit maxon sind hierbei der erste Schritt zu einer technisch wie kommerziell optimierten Lösung. 

Kurz gesagt:

Kompetent und zielorientiert mit EPOS4 Micro und maxon Dienstleistungen zum Erfolg!

Autor/in: Juergen Wagenbach

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