BAW-Bauelemente (Bulk Acoustic Wave) können Vorteile für Fabrikautomations-Systeme bringen, weil sie für die Takt- und Zeitsynchronisation zwischen sich schnell bewegenden Bauteilen Einsatz finden. BAW ist eine Mikroresonator-Technologie, die die Integration präziser und äußerst jitterarmer Takte erlaubt. Die Technik ist außerdem weniger sperrig als externe Quarze und ergibt eine saubere und präzisere Taktquelle. Neben dem Einsatz in Cobots eignet sich die Technik auch für Bestückungs- und Spritzgießmaschinen.

Cobots in der Fabrikautomation

Bild 1: Neue Cobot-Systeme verdrängen ältere Stern-Konfigurationen und die seriellen Feldbus-Schnittstellen (links) und setzen auf eine lineare Industrial-Ethernet-Topologie (rechts).

Bild 1: Neue Cobot-Systeme verdrängen ältere Stern-Konfigurationen und die seriellen Feldbus-Schnittstellen (links) und setzen auf eine lineare Industrial-Ethernet-Topologie (rechts). Texas Instruments

Cobots gewinnen in der heutigen Fabrikautomation und an Produktionsstraßen immer mehr an Verbreitung, weil sie zusammen mit Menschen arbeiten können. Ermöglicht wird diese neuartige Fähigkeit teils durch eine Vielzahl präziser Sensoren mit eingebauter Sicherheits-Funktionalität, die sich durch eine immer bessere Wahrnehmung des Fabrikumfelds um sie herum auszeichnen.

Cobots müssen sich einerseits langsam und gleichmäßig bewegen, um die Sicherheit ihrer menschlichen Mitarbeiter zu gewährleisten, sollen aber andererseits möglichst schnell arbeiten und ihre Aufgaben effektiv erledigen. Sobald ein Cobot eine Fehlfunktion in seinem System erkennt oder die Sicherheit eines Menschen gefährdet ist, muss der Roboter rasch reagieren und in einen sicheren Zustand wechseln, damit der Schutz der Menschen gewährleistet ist und Schäden an den umgebenden Werkzeugen und dem Arbeitsbereich vermieden werden.

Mit der BAW-Technologie ist die Integration präziser und extrem jitterarmer Takte in PLLs (Phase-Locked Loops) mit Jitter-Cleaner möglich, wie sie in synchronen Ethernet-Systemen zum Einsatz kommen. Die sich bewegenden Arme von Cobots profitieren von der BAW-Technologie, da die per Ethernet erfolgende Bewegungs-Synchronisation über Mehrachsen-Motoren und Sensoren hinweg entscheidend für die schnelle Bewegungssteuerung ist. Vorteilhaft ist diese Technik jedoch nicht nur für Cobots, sondern auch für andere Maschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten. Dazu zählen beispielsweise Rotationsmaschinen für den Zeitungsdruck, Spritzgießmaschinen, CNC-Maschinen, 3D-Drucker und Bestückungsmaschinen.

Industrial-Ethernet-Topologie

Eck-Daten

Die BAW-MEMS-Technologie bietet in Fabrikautomations-Systemen Vorteile, da sie die Takt- und Zeitsynchronisation zwischen schnell beweglichen Komponenten ermöglicht. Davon profitieren zum Beispiel Systeme wie Cobots oder andere Maschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten. Die Sync-E-Technologie entschärft die Takt- und Zeitsynchronisation in einem Cobot zusätzlich über mehrere Ethernet-Knoten hinweg. Kombiniert mit BAW-Resonatoren lässt sich damit ein besonders jitterarmer Master-Referenztakt erzeugen und verteilen.

In Bild 1 ist die Systemarchitektur von Cobots mit Mehrachsen-Motoren, Sensoren und Aktoren dargestellt. Das System umfasst die Bewegungssteuerung des Cobots, die an die Treiberstufen (D) angeschlossen ist. Letztere wiederum sind mit den Motoren (M) zum Positionieren der Arme verbunden, sowie mit Sensoren zum Detektieren der Armposition und des Drucks, mit dem mit den Werkzeugen umgegangen wird. Hinzu kommen Sensoren (wie zum Beispiel Sicherheitsvorhänge) und Aktoren zur Handhabung der Werkzeuge, die zum Zusammenbauen und Modifizieren der Werkstücke dienen.

In früheren Generationen kam eine Stern-Topologie mit Schritt- und Richtungssignalen (dir) zum Einsatz, um Motoren, Sensoren und Aktoren von der Bewegungssteuerungs-Einheit aus zu steuern. Parallel dazu existiert eine serielle Feldbus-Schnittstelle für Rückmeldesignale (Feedback, FB) wie zum Beispiel Encoderdaten, Strommesswerte aus den Motorstufen, Temperaturen, Fehler oder Störungen, aber auch andere Daten wie das Betätigen des Not-Aus-Tasters oder das Ansprechen der Sicherheitsabsperrung. Dabei werden auch Positions- (pos) und Fehlerinformationen eingelesen.

Auf der Bewegungssteuerungs-Einheit läuft ein Motorregelungs-Algorithmus, der den Motortreiber alle 62,5 µs, also mit 16 kHz aktualisiert. Die Aktualisierungen erfolgen auf der Basis der an den Shunt-Widerständen gemessenen Motorströme, der vom Encoder erfassten Rotorposition und weiterer Daten. Diese Regelung verlangt in der Regel nach einem schnellen Austausch von Prozessdaten.

Neue Cobot-Systeme verdrängen die älteren Stern-Konfigurationen und die seriellen Feldbus-Schnittstellen (Bild 1, links) und setzen stattdessen auf eine lineare Industrial-Ethernet-Topologie (Bild 1, rechts). Da die Industrial-Ethernet-Protokolle inzwischen Übertragungsraten im Gigabit-Bereich erreichen und eine Aktualisierung der Motorregelungs-Einheit in Intervallen von unter 62,5 µs erlauben, erfolgt die Übertragung aller Motorregelungs- und Rückmeldedaten jetzt über dieselbe Ethernet-Verbindung, sodass die Komplexität der Verkabelung und des Feldbusses gemindert wird.

Herausforderung Takt- und Zeitsynchronisation

Bild 2: Eine lineare Sync-E-Topologie mit Verteilung des Referenz-Taktsignals an mehrere Ethernet-Knoten.

Bild 2: Eine lineare Sync-E-Topologie mit Verteilung des Referenz-Taktsignals an mehrere Ethernet-Knoten. Texas Instruments

Das Sync-E-Konzept (Synchronous Ethernet) der International Telecommunication Union, Standardization Sector G.8262, spielt eine zentrale Rolle für die vereinfachte Takt- und Zeitsynchronisation, deren Ziel eine schnelle und präzise Motorregelung ist. Sync-E dient als Mechanismus zur Verteilung der Master-Taktfrequenz (zum Beispiel 25 MHz) über ein Ethernet-Kabel. Das Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 oder ein anderer Zeitsynchronisations-Standard wird in eines der Industrial-Ethernet-Protokolle eingebunden (Beispiele sind EtherCAT Distributed Clocks oder Profinet Precision Transparent Clock Protocol) und kann dann die notwendige Zeitsynchronisation übernehmen.

Zurück zu Sync-E. Die BAW-Technologie bietet entscheidende Vorteile, wenn mehrere Ethernet-Geräte in einer linearen Topologie verbunden sind. Bild 2 zeigt eine lineare Sync-E-Topologie mit Verteilung des Referenz-Taktsignals an mehrere Ethernet-Knoten.

Funktionsweise von Sync-E

Die Sync-E-Technologie funktioniert wie folgt: Jeder Ethernet-PHY-Transceiver (Physical Layer) benötigt eine Taktquelle von meist 25 MHz. Dieser Takt wird vom ersten Ethernet-PHY (Transmitter) genutzt, um Ethernet-Rahmen zwischen den beiden Ethernet-Knoten zu übertragen. Der empfangende Ethernet-PHY (Receiver) synchronisiert sich zum Sendetakt und regeneriert den 25-MHz-Takt des Senders. Einige Industrial-Ethernet-PHYs wie der DP83869 von Texas Instruments (TI) können den regenerierten 25-MHz-Takt an einem externen Pin herausführen. Das 25-MHz-Taktsignal wird anschließend einer PLL-Stufe mit integriertem Jitter-Cleaner zugeführt, die eine von Jitter befreite Version des regenerierten 25-MHz-Takts erzeugt. Dieser regenerierte und von Jitter befreite 25-MHz-Takt gelangt an den zweiten Ethernet-PHY (Transmitter) im zweiten Ethernet-Knoten. Mithilfe der linearen Sync-E-Topologie wird also das Referenz-Taktsignal an jeden Sync-E-Knoten übertragen.

Die PLL-Stufe mit Jitter-Cleaner spielt in der Sync-E-Architektur eine entscheidende Rolle. Sie muss den durch die Ethernet-PHY-Transmitter- und Receiver erzeugten Frequenz- und Phasenjitter entfernen. Mit der in die PLL-Stufe mit Jitter-Cleaner integrierten BAW-Technologie wird der über die Ethernet-Knoten weitergeleitete Jitter wirksam minimiert.

Die BAW-Technologie

BAW-Resonator

Bild 3: Bei einem BAW-Resonator befindet sich eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Metallschichten zum Eingrenzen der mechanischen Energie. Die Struktur bildet ein Resonatorelement mit hohem Gütefaktor. Texas Instruments

Bei einem BAW-Resonator handelt es sich um einen Dünnschicht-Resonator, der Ähnlichkeit mit einem traditionellen Quarz hat. Wie in Bild 3 erkennbar ist, befindet sich eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Metallschichten und mehreren weiteren Schichten zum Eingrenzen der mechanischen Energie. Diese Struktur hält einerseits die akustische Energie gefangen und bildet andererseits ein Resonatorelement, das sehr geringe Verluste und einen hohen Gütefaktor aufweist. BAW-Resonatoren wurden in der Vergangenheit in Hochfrequenz-Filtern im Frontend der Funk-Transceiver von Mobilgeräten eingesetzt.

Die BAW-Technologie hat mittlerweile Eingang in Produkte gefunden, wobei der BAW-Resonator als rauscharmer, spannungsgesteuerter Oszillator Verwendung findet und zur Erzeugung sehr rauscharmer Takte dient. Wird ein BAW-Resonator in der soeben beschriebenen Weise verwendet, ergeben sich die folgenden Vorteile für Sync-E-Systeme:

  • Der hohe Gütefaktor von ungefähr 1000 bei 2,5 GHz ermöglicht einen sehr geringen Jitter.
  • Die hohe Resonanzfrequenz von 2 bis 3 GHz erlaubt ein Herabdividieren zur Erzeugung mehrerer Taktfrequenzen (z. B. lässt sich das Signal eines 2,5-GHz-BAW-Resonators herabdividieren, um Taktsignale von 156,25 MHz, 125 MHz und 100 MHz zu erzeugen.
  • Der herausragende RMS-Jitter wird nicht von externen Quellen beeinflusst und ermöglicht ein einfaches Design: <60 fs(RMS) (12 kHz bis 20 MHz) bei 156,25 MHz und <30 fs(RMS) (12 kHz bis 20 MHz) bei 1,25 GHz.
  • Es ist ein Hitless Switching zwischen dem lokalen 25-MHz-Takt und dem regenerierten Takt des Ethernet-PHY möglich.
  • Es besteht Unempfindlichkeit gegen mechanische Stöße, wie sie durch Bewegungen des Roboterarms entstehen können.

Der vom LMK05318 erzeugte, von Jitter befreite 25-MHz-Takt wird auch vom Ethernet-MAC (Media Access Controller) und vom Mikroprozessor genutzt, um den Synchronisations-Jitter zwischen Ethernet-PHY und -MAC zu minimieren. Der Mikroprozessor verwendet den regenerierten Takt ferner zur PWM-Ansteuerung des Motortreibers, als Abtasttakt zum Messen des Anlaufstroms und zum Auslesen der Encoder-Daten über die Motorposition. Sind sämtliche Takte über die verschiedenen Ethernet-Knoten hinweg synchronisiert, synchronisiert der Motion Controller in einem Cobot-System die Generierung der PWM-Signale für die Motoren.

Zusammenfassung

Sync-E entschärft die Takt- und Zeitsynchronisations-Herausforderungen in einem Cobot über mehrere Ethernet-Knoten hinweg. Die PLL-Stufe mit Jitter-Cleaner spielt eine entscheidende Rolle in einem Sync-E-Knoten, was die Verteilung des akkumulierten Jitters über mehrere Ethernet-Knoten betrifft. Die Integration der BAW-Technologie in die PLL-Stufe mit Jitter-Cleaner minimiert den verteilten Jitter, wenn der regenerierte Takt von einem Ethernet-Knoten zum anderen weitergegeben wird.

Der von Jitter befreite und regenerierte Takt, der von der MAC-Einheit und dem Mikroprozessor verwendet wird, hilft bei der Zeit- und Taktsynchronisation über ein Zeitsynchronisations-Protokoll wie IEEE 1588 PTP, sodass Cobots auf schnelle und präzise Weise arbeiten können, um Tätigkeiten und Aufgaben an zu produzierenden Waren zu übernehmen.

Mit dem LMK05318 bietet TI eine PLL-Stufe mit Jitter-Cleaner an, die sich zur Beseitigung des verteilten Jitters der BAW-Technologie bedient. Ein Ethernet-PHY-Baustein wie der DP83869 gibt ein regeneriertes Taktsignal aus. Sync-E-Systeme, die mit diesen Bauelementen bestückt werden, erlauben somit die Verteilung eines besonders jitterarmen Master-Referenztakts.