Zusammenfassung: Dieser Artikel behandelt die Anwendung von Bewegungssteuerungsmodulen in Servosystemen für bürstenlose Gleichstrommotoren und analysiert und erläutert die Empfangsschaltung sowie die Signalübertragungstechnologie des Quadratur-Encoders des Hauptbewegungssteuerungsmoduls. Es wird ein robustes, fehlertolerantes Bewegungssteuerungssystem entwickelt, dessen Rückkopplungskanal einen Quadratur-Encoder nutzt. 1. Bewegungssteuerung und -systeme: Bewegungssteuerungssysteme sind seit vielen Jahren bekannt und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Abbildung 1 zeigt, dass die Bewegungssteuerung (einschließlich Bahn- und Servosteuerung) neben der sequenziellen Steuerung, der Prozesssteuerung und der Getriebesteuerung ein typischer Steuerungsmodus ist und seit Langem eine wichtige Rolle in automatischen Steuerungssystemen spielt. Sie wird in vielen Hightech-Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Laserbearbeitung, Robotik, CNC-Werkzeugmaschinen, Anlagen zur Herstellung großflächiger integrierter Schaltungen, Radar- und verschiedenen militärischen Waffenservosystemen sowie in flexiblen Fertigungssystemen (FMS). Dieses Bewegungssteuerungssystem besteht im Wesentlichen aus fünf Komponenten: dem bewegten mechanischen Bauteil, einem Motor (Servo oder Schrittmotor) mit Rückkopplung und Bewegungs-I/O, einer Motoransteuerung, einem Bewegungssteuerungsmodul und einer Programmier-/Bedienschnittstelle (siehe Abbildung 1). Der Bewegungssteuerungschip bzw. das Modul dient der Servo- und Schrittmotorsteuerung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verbinden Power Drives das Bewegungssteuerungsmodul mit anwendungsspezifischen Motoren, Encodern, Begrenzern und den Benutzer-I/Os (Bewegung). Ein einziges Steuerkabel verbindet das Bewegungssteuerungsmodul mit Power Drives und stellt einen Kanal für den gesamten Befehlssatz und die Rückkopplungssignale bereit. Falls die Leistung von Power Drives die Anwendungsanforderungen nicht erfüllt, können Anwender auch UMI-Schraubklemmen (Universal Motion Interface) verwenden, um Motoren und Treiber/Verstärker von Drittanbietern anzuschließen. Da die gängigen Lösungen in der Regel geschlossene Regelkreise sind, erfreuen sich computerbasierte Bewegungslösungen aufgrund ihrer höheren Flexibilität und des Potenzials für geringe Kosten großer Beliebtheit. Mit den Fortschritten in der Leistungselektronik, Mikroelektronik, Computertechnologie und Regelungstechnik weisen AC-Servoantriebe mit AC-Servomotoren als Aktuatoren vergleichbare Eigenschaften wie DC-Servoantriebe auf und nutzen so die Vorteile von AC-Servomotoren voll aus. AC-Servoantriebe haben sich zur Leittechnologie moderner Servoantriebe entwickelt. Seit ihrer Entwicklung Anfang der 1990er-Jahre ist die AC-Servotechnologie ausgereift und ihre Leistung kontinuierlich verbessert worden. Sie findet heute breite Anwendung in CNC-Werkzeugmaschinen, Druck- und Verpackungsmaschinen, Textilmaschinen, automatisierten Produktionslinien und anderen Automatisierungsbereichen. Dies bietet Anwendern die optimale Lösung zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit und des technologischen Niveaus sowie zur Erzielung hoher wirtschaftlicher und technischer Vorteile. Heutige Anwendungen erfordern dringend zuverlässige und langlebige Industrieroboter und automatisierte mechanische Geräte, die unter anspruchsvollen Bedingungen rund um die Uhr arbeiten können. Solche Systeme benötigen eine deutlich präzisere Motor- und Rückkopplungssteuerung als bisher, und die meisten Leistungsverbesserungen sind der Entwicklung neuer Technologien und der Mikroelektronik zu verdanken. Diese Innovationen verhindern Kollisionen, die beim gemeinsamen Einsatz von Robotern und automatisierten mechanischen Geräten im selben Arbeitsbereich auftreten können, verbessern die Aufgabenverteilung und erhöhen die Genauigkeit von Servosystemen. Dadurch arbeiten automatisierte mechanische Systeme zuverlässiger. Da Bewegungssteuerungs-Chips oder -Module präzise und leistungsstarke Bewegungsfunktionen für allgemeine Servo- und Schrittmotoranwendungen bereitstellen, bieten benutzerfreundliche Bewegungssteuerungsmodule, Software und Peripheriegeräte optimale integrierte Lösungen für die Anforderungen an Bewegungs- und Messintegration. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Anwendung von Bewegungssteuerungsmodulen in bürstenlosen DC-Motorservosystemen und analysiert und erläutert die Empfangsschaltung und die Signalkabeltechnologie des Quadratur-Encoders des Hauptbewegungssteuerungsmoduls. Abbildung 2 Abbildung 3 2 Anwendung des Bewegungssteuerungsmoduls – Bürstenloses DC-Motorservosystem. Damit ein Bewegungssteuerungsmodul in einem bürstenlosen DC-Motorservosystem eingesetzt werden kann, muss es ein geschlossenes Bewegungssteuerungssystem bilden. Dies ist ein Merkmal moderner Automatisierungssysteme zur Realisierung der Bewegungssteuerung. Ein bürstenloses DC-Motorservosystem besteht aus einem Bewegungssteuerungsmodul (Karte), einem Servomotor, einem Treiber, Rückkopplungselementen (Orthogonal-Encoder für die Rückkopplung) und einer Programmier-/Bedienschnittstellensoftware. Es ermöglicht eine präzise und stabile Steuerung von Drehzahl und Position. Abbildung 2 zeigt ein Blockdiagramm eines bürstenlosen DC-Motorservosystems, das aus einem Bewegungssteuerungsmodul besteht. Wie Abbildung 2 zeigt, handelt es sich bei diesem Bewegungssteuerungssystem um ein Servosystem mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Die Schnittstellenschaltung des Quadratur-Encoders im Bewegungssteuerungsmodul dient als Eingangs- und Eingangsschaltung, d. h. als Empfängerschaltung, die das über das Rückkopplungskabel übertragene Ausgangssignal des Quadratur-Encoders empfängt. Bürstenlose Gleichstrommotoren eignen sich für Anwendungen mit hohen Leistungs- und Drehzahlen; daher sind die hier beschriebenen Systeme allesamt Servosysteme mit bürstenlosen Gleichstrommotoren. Das Wellenende dieses Motortyps ist mit einem Orthogonal-Encoder ausgestattet, der die Wellendrehzahl und den Kommutierungspunkt misst und die Spulenschaltsequenz des Motors steuert. Ein zweiter Quadratur-Encoder ist an der rotierenden Welle der mechanischen Vorrichtung montiert. Er gibt das Positionssignal der rotierenden Welle aus und behebt so das Problem der durch Zahnflankenspiel (Spiel zwischen zwei oder mehr Zahnrädern) im Getriebe und der Spindel verursachten Fluchtungsabweichung zwischen der Position der rotierenden Welle und der Motorwelle. Ein typisches Bewegungssteuerungsmodul besteht aus einem Mikroprozessor und einem DSP oder einem kundenspezifischen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) zur Verarbeitung von Hochgeschwindigkeitssignalen. Das Modul liefert ein Signal an den Treiber oder Verstärker, um Drehzahl und Drehrichtung zu steuern. Der Treiber wandelt dieses Signal in die entsprechende Spannung und den entsprechenden Strom (Leistung) zum Ansteuern des Motors um. Der Einsatz eines solchen Moduls in einem bürstenlosen Gleichstrommotor-Servosystem macht dieses zu einem robusten und fehlertoleranten Bewegungssteuerungssystem. Doch wie wird es angewendet? Anders gefragt: Wie ist es konstruiert? Aus Sicht der Signalverarbeitung wird dies deutlich, wenn die folgenden Hauptaspekte der Systemanwendung analysiert und erläutert werden: Die Schnittstellenschaltung zwischen Bewegungssteuerungsmodul und Quadraturgeber. Dieser Abschnitt beschreibt die Eingangs- und Empfängerschaltung des Bewegungssteuerungsmoduls, die für das System von entscheidender Bedeutung ist. Er umfasst die Konstruktion der Empfängerplatine und die Anwendung des Quadraturgeber-Signalkabelsystems. Die Empfängerschaltung des Bewegungssteuerungsmoduls ist im Wesentlichen die Schnittstellenschaltung zwischen Modul und Quadraturgeber. Dieses System verwendet eine Kombination aus einem MAX3095-Chip-Empfängerschaltkreis und einem Widerstandsanpassungsschaltkreis für den Quadraturgeber als Schnittstellenschaltung. Der IC1 MAX3095-Chip ist ein 10-Mbps-, 5-V-, Vierkanal-RS-422/RS-485-Empfänger mit ±5 kV ESD-Schutz. Der Quadraturgeber gibt sechs RS-422/RS-485-Signale (A, A, B, B, INDEX und INDEX) aus, die über ein Kabel an den MAX3095-Empfangsschaltkreis des Bewegungssteuerungsmoduls übertragen werden. Der Empfangsschaltkreis wandelt die RS-422-Signale in Logikpegelsignale um (da das System nur einen Sender besitzt, ist es aktuell auf RS-422-Signale eingestellt) und sendet die Signale zur Verarbeitung an das Bewegungssteuerungsmodul, den DSP oder den ASIC. Der Empfangsschaltkreis muss auf verschiedene Fehler des Servosystems reagieren, darunter Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Rauschen. Das heißt, es muss auf Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Rauschen im Ausgangssignal des Quadratur-Encoders reagieren. Abbildung 3 zeigt eine typische Empfängerschaltung für das Encodersignal eines Bewegungssteuerungsmoduls (d. h. die Schnittstellenschaltung zwischen Bewegungssteuerungsmodul und Quadratur-Encoder-Ausgang). (Hierbei ist INDEX das Ausgangssignal des Quadratur-Encoders, das einen Impuls pro Umdrehung ausgibt.) Warum verwendet IC1 den MAX3095-Chip mit ±5 kV ESD-Schutz? Weil ESD-Schutz für ein fehlertolerantes System unerlässlich ist, da die Encodersignal-Eingangsschaltung mit externen Komponenten verbunden werden muss. Dadurch entfällt die Notwendigkeit externer ESD-Schutzkomponenten, was die Leiterplattenfläche erheblich reduziert. Das Signal des Quadratur-Encoders wird über ein verdrilltes Zweidrahtkabel an die Empfängerschaltung übertragen. Zwischen jedem Paar komplementärer Signalleitungen A,A bzw. B,B ist ein 150-Ω-Widerstand angeschlossen, um einen korrekten Abschluss zu gewährleisten. Bei einer Unterbrechung, z. B. durch Kabelbruch oder -unterbrechung, muss das Bewegungssteuerungsmodul diese Fehler zunächst erkennen, um entsprechende Maßnahmen ergreifen zu können. Als Sicherheitsmaßnahme gibt der MAX3095-Empfänger ein logisches High-Signal aus, wenn eine Eingangssignalleitung unterbrochen ist. Ein 1-kΩ-Vorwiderstand stellt sicher, dass die Spannung an Eingang „A“ mindestens 200 mV höher ist als die an Eingang „B“. Auch mit Eingangswiderständen müssen die Ausgänge ausfallsicher bleiben. Diese Schaltung bietet ESD-Schutz, Unterbrechungserkennung und Schutz vor Kurzschlüssen am Ausgang, kann jedoch keine Kurzschlüsse am Eingang erkennen. Abbildung 4 zeigt eine verbesserte Schaltung mit zwei ICs (MAX3098), von denen jeder drei RS-422/RS-485-Empfänger enthält. Jeder Empfänger verfügt über eine integrierte Fehlererkennung, einen ESD-Schutz (elektrostatische Entladung) von ±15 kV und eine Datenrate von 32 Mbit/s. Der MAX3098E kann Unterbrechungen und Kurzschlüsse an den Empfängereingängen sowie andere Fehler wie zu niedrige Differenzspannungen und Gleichtaktüberschreitungen erkennen. Sein Logikpegel-Ausgang zeigt an, welcher Empfängereingang ausgefallen ist. Diese direkte Fehlermeldung reduziert den Softwareaufwand und minimiert externe Logikbauteile. Ein Fehler an einem beliebigen Quadraturgeberausgang, d. h. am Codierungseingang des Steuermoduls, löst sofort ein High-Signal am entsprechenden Ausgang aus: ALARM A, ALARM B und ALARM Z. Bei langsamer Bewegung des Servosystems tritt ein kurzzeitiger Fehler im Nulldurchgangsbereich des Quadraturgebersignals auf, der einen Fehlalarm auslöst. Durch die Wahl des Wertes des Kondensators C-delay kann der Ausgang ALARM D (die logische ODER-Verknüpfung von ALARM A, ALARM B und ALARM Z) um eine geeignete Zeit verzögert werden. Ein 120-Ω-Widerstand dient der korrekten Terminierung des RS422-Kabels. Da der IC ein 16-poliges QSOP-Gehäuse (Quarter Size Package) verwendet, benötigt er nur wenige externe Bauteile und somit nur wenig Platz auf der Leiterplatte. 4. Leiterplattenlayout der Empfängerschaltung ( Abbildung 5). Abbildung 5 zeigt ein typisches Leiterplattenlayout einer Empfängerschaltung. Ein korrektes Layout beginnt mit dem RS-422-Encoder-Eingangsstecker. Die Differenzsignalpaare A/, B/ und INDEX/ müssen benachbarte Pins des Steckers belegen. Dadurch überlappen sich die Signalstrompfade jedes Differenzsignalpaares und heben sich gegenseitig auf. Um sicherzustellen, dass jede Leiterbahn auf der Leiterplatte die gleiche parasitäre Kapazität aufweist, sollten die Signalleitungen möglichst nahe beieinander, gleich lang und möglichst symmetrisch angeordnet sein. Zur Reduzierung von induktivem und kapazitivem Übersprechen in digitalen Signalen und zur Verringerung der Induktivität sollten die Differenzsignale der RS-422-Schnittstelle von Steckern und Empfängerschaltungen auf einer großen Massefläche, üblicherweise in der Mitte der Leiterplatte, platziert werden. Auf dieser Massefläche dürfen keine hohen Ströme fließen. Schnelles Schalten von Strom in Bewegungssteuerungsschaltungen erzeugt Gleichtaktstörungen. Der Einsatz von Filtern und Entkopplungskondensatoren trägt dazu bei, die in die Versorgungsleitungen eingekoppelte Gleichtaktspannung zu reduzieren. Ein 0,1 µF Bypass-Kondensator kann nahe am Vcc-Eingang des Empfängers platziert werden. Um die Induktivität der Bypass-Schleife zu reduzieren, sollte der Masseanschluss des Kondensators direkt mit der Massefläche verbunden werden. Der Masseanschluss des Chips sollte ebenfalls über eine nahegelegene Durchkontaktierung mit Masse verbunden werden. Um Störungen im Empfängerschaltkreis zu minimieren, sollten die Signalleitungen des Empfängers von den Stromversorgungsschaltungen ferngehalten werden. 5. Anwendung von Quadratur-Encoder-Signalkabeln: Da die Differenzsignale von Quadratur-Encodern symmetrisch sind, können sie über herkömmliche Kabel übertragen werden. Twisted-Pair-Kabel sind jedoch vorzuziehen. Sie weisen eine sehr geringe induktive Kopplung und eine konstante Impedanz über einen Frequenzbereich bis zu mehreren Megahertz auf und eignen sich daher besonders für die hohen Übertragungsgeschwindigkeiten von Bewegungssteuerungssystemen. Twisted-Pair-Kabel tragen außerdem zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen (EMI) bei. Sie sind sowohl in geschirmter als auch in ungeschirmter Ausführung erhältlich. Ungeschirmte Kabel sind kleiner, günstiger, leichter und haben einen kleineren Biegeradius. Für differentielle Quadratur-Encoder-Signale ist ein geschirmtes Kabel erforderlich. Geschirmte Twisted-Pair-Kabel bieten eine bessere Gleichtaktunterdrückung, da die Schirmung zusätzlichen Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI) bietet. Die nicht optimale Verdrillung in ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln kann die EMI-Störungen deutlich erhöhen. Die Schirmung sollte im Eingangsstecker des Encoders mit der Masse des Empfängers verbunden werden. Quadratur-Encoder-Signalkabel dürfen keine Strom- oder andere Signale übertragen. Sie dürfen auch nicht in der Nähe oder parallel zu anderen Kabeln oder Leitungen verlegt werden, die Strom- oder Störsignale, einschließlich 60-Hz-Netzteile, führen. Encoder in modernen Hochgeschwindigkeits-Servosteuerungssystemen können im Betrieb Datenraten von bis zu mehreren Megahertz liefern. Bei solch hohen Datenraten müssen Quadratur-Encoder-Signalkabel am Empfänger mit Abschlusswiderständen oder -netzwerken korrekt terminiert werden. Idealerweise sollte der Wert des Abschlusswiderstands der Wellenimpedanz des Kabels entsprechen. Da in einem RS-422-Netzwerk nur ein Sender (ein Sender und ein Empfänger) vorhanden ist, wird am Sender kein Abschlusswiderstand benötigt. Schwingungen und Reflexionen am Empfängereingang begrenzen den Datendurchsatz auf wenige hundert kbit/s. Eine Anpassung an ±20 % der charakteristischen Impedanz des Kabels ist in der Regel ausreichend. Korrekte Encoder-Kabelanschlüsse sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. 6. Erläuterung der Feedback-Encoder-Typen: Für eine präzise Positionierung benötigt ein Servosystem ein Rückkopplungssignal zur Bildung eines geschlossenen Regelkreises. Geräte, die dieses Rückkopplungssignal liefern können, sind beispielsweise fotoelektrische Encoder, Resolver und orthogonale magnetostriktive Wegsensoren. Daher ist eine nähere Betrachtung dieser Geräte erforderlich. 6.1 Fotoelektrische Encoder geben ein digitales Rechtecksignal aus. Es gibt orthogonale (inkrementelle), absolute und pseudozufällige Typen. Ein typischer fotoelektrischer Encoder besteht aus einem Lichtsender, einem Lichtempfänger und einem Encoderrad, das das ursprüngliche analoge Signal ausgibt. Dieses analoge Signal wird an die Verarbeitungsschaltung des Encoders gesendet und in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt. Die Signalausgabe erfolgt über Open-Collector- und Single-Ended-Ausgänge mit Logikpegeln von 5 V bis 24 V. Um Störungen durch Rauschen zu minimieren, ist die zuverlässigste Ausgabe die komplementäre, differentielle RS-422-Schnittstelle. Das Rückkopplungssignal des Quadratur-Lichtschrankengebers besteht aus drei Impulsformen: A, B und Z. Die Signale A und B stammen vom Drehgeberrad und weisen eine Phasenverschiebung von 90° auf, daher die Bezeichnung Quadratur (sie sind um eine Viertelperiode versetzt). Wenn A dem Signal B vorauseilt, dreht sich der Geber im Uhrzeigersinn; umgekehrt, wenn A dem Signal B vorauseilt, dreht er sich gegen den Uhrzeigersinn. Aus diesen beiden Signalen lassen sich Positions-, Richtungs- und Geschwindigkeitsdaten gewinnen. Signal Z zeigt die Position des Motorrotors und an, ob sich die Geberwelle um 360° gedreht hat. Es kann auch Fehlberechnungen der Signale A und B überprüfen. Bei Verwendung der RS-422-Schnittstelle liefert der Geber komplementäre A-, B- und Z-Ausgänge. 6.2 Die Signalverarbeitungseinheit des Absolutwert-Lichtschrankengebers ist der des Quadratur-Lichtschrankengebers ähnlich, gibt jedoch für jede Umdrehung ein paralleles Binärwort aus. Typischerweise verwendet er 12-13-Bit-BCD-, Gray- oder natürlichen Binärcode. Der 13-Bit-Ausgang wird nur für die Niederfrequenzantwort genutzt (12 Bit für 1200 U/min; 13 Bit für 600 U/min), bietet aber eine feinere Auflösung pro 360°-Umdrehung. Dieser Encodertyp eignet sich gut zur Überwachung der Wellenposition während Ein- und Ausschaltzyklen, da die Wellenposition – anders als bei Quadratur-Encodern – auch im Stillstand des Encoders aus dem codierten Ausgang abgelesen werden kann. 6.3 Ein neuer Typ von pseudozufälligem fotoelektrischem Encoder gibt drei Signale aus: A und B liefern Richtungs- und Ortssynchronisationssignale, das dritte Signal Positionsdaten. Dieser Encodertyp benötigt 1° bis 2° Drehung zur Positionsbestimmung. Ein Resolver ist ein Feedback-Encoder mit Sinus- und Kosinussignalausgängen. Drehzahl- und Positionsdaten können durch Verarbeitung mit einem Servosystem-Controller gewonnen werden. Bei Rotation der Welle liefert das Rückkopplungssignal des Resolvers absolute Positionsinformationen, jedoch ist sein Verhalten bei niedrigen Drehzahlen ungenau. Der Hauptnachteil dieses Encodertyps liegt in der notwendigen Signalumwandlung in ein digitales Signal, die mit relativ hohen Kosten verbunden ist. 6.4 Der orthogonale magnetostriktive Linearwegsensor (LDT) ist ein Rückkopplungs-Encoder/Sensor zur Messung linearer Bewegungen, eignet sich jedoch nicht zur Messung von Drehpositionen. Sein Funktionsprinzip ist wie folgt: Die Linearwegstange des LDT treibt die Bewegung eines Magneten an, der auf den magnetostriktiven Draht wirkt und ein Stromimpulssignal erzeugt. Dieses Impulssignal – ein analoges Positionssignal – wird von einem Aufnehmersensor erfasst. Anschließend verarbeitet der LDT dieses Signal und wandelt es in digitale Ausgangssignale A, B und Z um, ähnlich denen eines orthogonalen Encoders. 7 Fazit: Basierend auf der Anwendung und Analyse des Bewegungssteuerungsmoduls, der Empfängerschaltung und des Signalkabelsystems des oben beschriebenen orthogonalen Encoders wird gezeigt, dass dieses bürstenlose Gleichstrommotor-Servosystem ein robustes, fehlertolerantes Bewegungsrückkopplungs-Regelungssystem darstellt und zu den modernen Hochgeschwindigkeits-Servosystemen gehört. Die Empfangsschaltung dieses Systems muss verschiedene Fehler antizipieren und darauf reagieren. Um Störungen in den Encoderdaten zu vermeiden, muss die Leiterplatte der Empfangsschaltung entsprechend ausgelegt sein. Auch das Signalkabelsystem des Orthogonal-Encoders, einschließlich der Anschlüsse der Empfangsschaltung, muss bei der Anwendung berücksichtigt werden. Mit diesen Vorsichtsmaßnahmen lässt sich ein stabiles Bewegungsregelungssystem mit vorhersagbaren Zuständen im Fehlerfall realisieren.