Referenzmodell Servoantrieb

Bild 1: Das Servoantriebs-Referenzmodell (Servo Drive RM) ist modular, um Servoantriebe testen und realisieren zu können. (Bild: Toshiba Electronics Europe)

| von Frank Malik

Heutzutage bewegen leistungsstarke Roboterarme Karosserieteile und schwenken Punktschweißzangen in Position. Aufgrund ihrer schweren Masse und der hohen Geschwindigkeit werden solche Roboterlösungen hinter Käfigen gehalten, um die Sicherheit der Mitarbeiter zu gewährleisten, die neben ihnen arbeiten. Zunehmend wird jedoch eine engere Mensch-Roboter-Interaktion gefordert, die von einer Klasse von Robotern gehandhabt wird, die als Cobots (kollaborative Roboter) und autonom geführte bzw. fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV/FTF) bezeichnet werden. In einigen Städten werden bereits FTF getestet, die Imbiss-Takeaways oder Lebensmittel ausliefern. Auch die Fließbandfertigung wird durch Arbeitsplatzsysteme ersetzt, die einzelne Schritte eines Fertigungsprozesses abarbeiten. Hier bewegen FTF die Werkstücke zwischen den Stationen, wobei sie eine einzelne Station auch mehrfach anfahren, um kostengünstige kundenspezifische Produkte fertigen zu können.

Das Robotik-Implementierungsdreieck

Die Basis solcher Systeme umfasst drei Elemente für die Steuerung der Achsen-Servoantriebe: einen Controller, eine Energieversorgung und einen Rückkopplungskreis. Der Controller stellt sicher, dass der Motor auf die Befehle des Motion Controllers reagiert und den Servoantrieb genau dort positioniert, wo er sein soll. Der Motor ist entweder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) oder ein Schrittmotor. Daher ist auch ein Motorsteuerungsalgorithmus erforderlich, der idealerweise den maximalen elektrischen Wirkungsgrad erzielt. Eng mit dem Controller verbunden ist die Leistungsstufe, die Energie möglichst effizient an die Motorspulen abgibt und dabei so wenig Abwärme wie möglich erzeugt. Werden diese Ziele erreicht, lässt sich das Volumen und das Gewicht der endgültigen Lösung verringern, indem Roboterarme und SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arms) zusammen mit ihren Steuerungssystemen ausgestattet werden, anstatt sie in externe Steuerkästen zu verbauen.

Das dritte Element betrifft die Positionsgenauigkeit der einzelnen Achsen der Roboterarme oder der Raddrehung eines FTF. Hier drängen Größe, Gewicht, Kosten und gewünschte Genauigkeit die Entwickler zu Sensorlösungen, die von Resolvern bis zu Encodern reichen. Diese erfordern möglicherweise eine Signalaufbereitung und Pegelverschiebung vor dem Anschluss an den Controller.

Warum es Entwicklungslösungen und Halbleiterbaustein für Roboter braucht

Roboter werden meist mit Serienfertigung in Verbindung gebracht, sind aber aufgrund ihrer sinkenden Kosten zunehmend auch für andere Anwendungen attraktiv, bei denen Genauigkeit, Wiederholbarkeit oder geringere Kosten erforderlich sind. Der Zuwachs an FTF- und Cobot-Anwendungen erfordert Entwicklungslösungen und Halbleiterbausteine, die auf deren Bedürfnisse zugeschnitten sind und die Umsetzung sowie das Prototyping vereinfachen. Toshiba bietet eine Komplettlösung für Cobot-Entwicklerteams.

Optimale Lösung für Roboter-Servoantriebe

Blockdiagramm Board

Bild 2: Blockdiagramm des Basis-Boards im Servo Drive RM. Toshiba Electronics Europe

Um eine optimale Lösung für Roboter-Servoantriebe zu entwickeln, muss jedes dieser drei Elemente schnell und einfach austauschbar und zu testen sein. Auf diese Weise lassen sich der Controller, die Leistungsstufe und der Encoder schnell evaluieren, um einen optimalen Ansatz zu finden. Toshiba hat das wachsende Interesse in diesem Bereich erkannt, insbesondere bei Start-ups, die auf Nischenanwendungen abzielen. Das Unternehmen bietet dafür das hoch konfigurierbare Servoantriebs-Referenzmodell „Servo Drive RM“ an, das alle erforderlichen Teile auf einer einzigen Plattform zusammenfasst (Bild 1).

Es besteht aus einem Basis-Board, das die notwendige Anbindung zwischen den drei Funktionselementen bereitstellt. Auf dem Board befinden sich austauschbare Mikrocontroller-/MCU-Karten, die die Steuerung je nach Eingang des Encoders oder Resolvers und als Reaktion auf den Eingang des Motion Controllers bereitstellen. Bis zu drei Leistungsstufen (Power-Boards) lassen sich an der Seite anbringen, um die Stromversorgung der Motorspulen zu steuern. Eine Auswahl von Encoder-Boards bereitet dabei die Signale von Encodern oder Resolvern für die MCU auf.

Neben dem MCU-Steckbereich bietet das Basis-Board auch einen Anschluss für Arduino-kompatible Shields. Dies ermöglicht die Integration von CAN, Ethernet oder anderen Netzwerkprotokollen. Für eine PC-Anbindung steht ein von der MCU isolierter USB-zu-UART-Wandler bereit. Stromversorgung, Polaritätsschutz und Pegelumsetzer runden wo nötig das Design ab (Bild 2).

Spezielle Controller für präzise Steuerung

100-Pin-Version der MCU-Karte

Bild 3: 100-Pin-Version der MCU-Karte mit M4K-MCU, die bis zu drei Motoren über FOC ansteuert – einen über die A-VE+-Hardware und zwei über einen Software-FOC-Algorithmus. Toshiba Electronics Europe

Auf der Mikrocontroller-Karte befindet sich eine MK4-MCU auf Basis des Arm-Cortex-M4F-Prozessores. Mit einer Taktfrequenz bis 160 MHz, 256 kB Flash, 24 kB SRAM und einer Fließkommaeinheit eignen sich diese MCUs sehr gut für die Ausführung komplexer Motorsteuerungsalgorithmen. Hinzu kommt eng gekoppelte Peripherie, um die Motorsteuerung optimal zu unterstützen: ein A-VE+-Modul (Advanced Vector Engine Plus), ein 12-Bit-A/D-Wandler (ADC) und der A-PMD-Timer (Advanced Programmable Motor Driver). Die MK4-MCU steuert über die integrierte Vector Engine einen Motor in feldorientierter Regelung (FOC), zwei weitere Motoren werden ebenfalls mit FOC-Algorithmen, die in Software implementiert sind, bedient (Bild 3).

Board mit Encoder

Bild 4a: Der Differential Encoder passt auf die Power-Boards (Leistungsstufen) und vereinfacht die Integration solcher Sensoren in das Servo Drive RM. Toshiba Electronics Europe

Der A-VE+-Block vereinfacht den Aufbau der Software, da die Rechenkomplexität der verwendeten Operationen wie Clark-Park-Transformationen unsichtbar ist, ähnlich einer Bibliotheksfunktion. Die vom ADC gesammelten Strominformationen eines Messwiderstands werden von der Hardware aus einer dreiphasigen in eine zweiphasige Darstellung umgewandelt, verarbeitet und dann für den A-PMD-Timer wieder in eine dreiphasige Darstellung zurückgewandelt. Dieser Hardware-Ansatz vermeidet den Jitter, der durch Interrupts oder Task-Wechsel des Betriebssystems verursacht wird. Compiler-Optimierungen haben dadurch nur noch minimale Auswirkungen auf die Ausführungszeit des Algorithmus. Aufgrund der engen Integration zwischen den drei Hardware-Peripherieblöcken kann die FOC des Motors nach der Konfiguration des Systems nahezu autonom ablaufen.

Board mit Encoder

Bild 4b: Der Resolver Encoder passt auf die Power-Boards (Leistungsstufen) und vereinfacht die Integration solcher Sensoren in das Servo Drive RM. Toshiba Electronics Europe

Durch geeignete Auswahl einer Adapterkarte, lässt sich auch ein Resolver oder Encoder für die Positionsbestimmung verwenden. Komplexere Sensoren, z.B. mit Hiperface-Schnittstelle, können zusammen mit einem geeigneten Transceiver an den UART angeschlossen werden. Inkrementalgeber werden durch den A-ENC32-Block (Advanced Encoder Input Circuit) mit integrierter Rauschunterdrückung – wichtig für die störbehaftete Umgebung von Robotern und FTF – und dem 32Bit Timer Event Counter T32A unterstützt. Eine Differential-Encoder- und Resolver-Encoder-Karte vereinfachen das Prototyping mit solchen Sensoren (Bild 4).

Effiziente Leistungsabgabe

Board

Bild 5: Das Low-Voltage Power-Board enthält die MOSFETs TPW3R70APL auf Basis der neuesten U-MOS-IX-H-Technologie und unterstützt Motoren bis 200 W. Toshiba Electronics Europe

Das Low-Voltage Power-Board stellt die Leistungsstufe für den gewählten Motor bereit. Es akzeptiert eine Eingangsspannung bis 48 V und ist mit einem 3-Phasen-Wechselrichter auf Basis der 100-V-MOSFETs TPW3R70APL ausgestattet (Bild 5). Das Board kann eine Verlustleistung bis 10 W verarbeiten und bei Bedarf mit einem Kühlkörper ausgestattet werden. Der MOSFET basiert auf der U-MOS-IX-H-Trench-Prozesstechnologie, die einen guten Kompromiss zwischen geringem Durchlasswiderstand und Qg, QSW und QOSS bietet. Der Baustein ist Teil eines breiteren Angebots, das Spannungen von 20 bis 250 V in SMD- und THD-Gehäusen unterstützt. Einige Bausteine, z.B. der hier verwendete im DSOP-Gehäuse, bieten Kühlpads auf der Oberseite.

Roboterarm

Bild 6: Ein AR3-Roboterarm wurde für den Einsatz von BLDC-Motoren mit Hall-Sensor-Encodern ausgestattet. Damit steht eine Demoplattform für die GUI und Firmware-API des Servo Drive RM zur Verfügung. Toshiba Electronics Europe

Damit ist das Board für BLDC-Motoren von 20 bis 200 W geeignet. Die Strommessung erfolgt auf der Low Side, wobei der Komparator TC75W58FU ein Fehlerrückmeldesignal an das Basis-Board liefert. Weiterer Schutz besteht durch einen Temperatursensor. Die Phasenströme für den Motor werden ebenfalls an das Basis-Board zurückgeführt, damit die MCU diese verarbeiten kann.

Abgerundet wird das Referenzmodell durch eine Demosoftware, die ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) und Software-APIs umfasst. Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) hilft bei der Entwicklung, indem sie in Echtzeit den Status der Firmware und die Parameter für jede Roboterachse hervorhebt (Bild 6).

Infokasten Roboter

Die Faszination des Menschen für Maschinen, die ihm die Arbeit abnehmen, ist bereits im antiken Griechenland dokumentiert. Auf der Suche nach einer Möglichkeit, die Insel Kreta zu beschützen, schenkte der griechische Gott Hephaistos mit Talos einen riesigen Bronzemann, der über sie wachen sollte. Erst in den 1920er Jahren wurde das Wort „Roboter“ des Tschechen Karel Čapek geprägt, was zu seiner regelmäßigen Verwendung in der Science-Fiction-Literatur führte.

Frank Malik

Principal Engineer Solution Marketing, Toshiba Electronics Europe

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