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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere im
Kleinleistungsbereich bis 300 W für bürstenlose Gleichstrom-
und Schrittmotoren (1 Phase, 2 Phasen, 3 Phasen,
Microschritt). Diese Antriebstechnologie wird vorzugsweise in
sogenannten Produktronik-Maschinen zum Positionieren von
Bauteilen eingesetzt.
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Für Positionierantriebe im Kleinleistungsbereich gibt es
derzeit keine steuerungsseitig geschlossene und damit
standardisierte Automatisierungslösung. Regelung und
Verstärker für eine oder mehrere abhängige oder unabhängige
Antriebsachsen werden in gemeinsamen oder in getrennten
Gehäusen angeboten. In zeitkritischen Applikationen werden
die Antriebe zentral an die CPU (Central Processing Unit)
angeschlossen. Dabei erhält das Bewegungssteuerungssystem
(Motion Control System) von der CPU eine Positionsvorgabe.
Bei weniger zeitkritischen Applikationen werden die
Positionsvorgaben mit einem Feldbus übertragen. Aus der
Vielzahl der Applikationen und Aufbauformen in der
Antriebstechnik ergibt sich die Notwendigkeit der
Modularisierung und damit der Kostenreduzierung.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein
Antriebssystem zu modularisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem,
insbesondere für Positionierantriebe im
Kleinleistungsbereich,
- - mit mindestens einem ersten Hybridelement als
Positioniermodul,
- - mit mindestens einem zweiten Hybridelement als
Leistungsmodul und
- - mit einem Carrier-Board, welches Kontaktelemente zur
elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten
Hybridelemente, erste Befestigungsmittel zur mechanischen
Aufnahme der ersten und zweiten Hybridelemente und eine
Verbindung zu einer übergeordneten zweiten Rechnereinheit
aufweist.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen in der
Modularisierung von Positionierfunktion und Leistungsfunktion
als eigenständige Hybridelemente begründet. Dies ermöglicht
eine einfachen Zusammenbau des Antriebssystems durch
Bestückung des Carrier-Boards mit den Hybridelementen. Das so
bestückte Carrier-Board lässt sich auf einfache Art und Weise
in alle gängigen CPU-Varianten bzw. Rechnersysteme (SPS, IPC,
Rack-PC) integrieren. Da das Leistungsmodul von einem oder
mehreren Positioniermodulen abgesetzt ist, ermöglicht das
System sowohl Einachs- als auch Mehrachsapplikationen. Der
modulare Aufbau und die Anpassungsfähigkeit je nach
Anforderung erlauben eine Verwendung des erfindungsgemäßen
Antriebssystems für verschiedene Applikationen (Gehäuse,
Motortyp). Ohne wesentlichen Aufwand können die
Hybridelemente und Carrier-Boards in unterschiedliche
Gehäusevarianten integriert werden (z. B. Platine zum Stecken
in PC, Gehäuse mit Hutschiene, Gehäuse mit Befestigungsösen).
Dadurch ergibt sich für Hersteller von Motion Control
Systemen als auch für Anwender eine höchstmögliche
Flexibilität.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein
dezentraler Aufbau mit gleichen Baugruppen dadurch erreicht,
dass dezentral, d. h. vom Carrier-Board abgesetzt angeordnete
zweite Befestigungsmittel zur mechanischen Aufnahme der
zweiten Hybridelemente und ein proprietärer Bus zur
Verbindung der zweiten Hybridelemente mit den ersten
Hybridelementen vorgesehen sind. Vorteilhafterweise
beinhaltet das erste Hybridmodul die Feldbusanschaltungen für
diese dezentrale Variante.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und
erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 die Integration von Funktionsbausteinen zu einem
ersten Hybridelement,
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Fig. 2 die Integration von Funktionsbausteinen zu einem
zweiten Hybridelement,
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Fig. 3 Ansichten eines ersten und zweiten Hybridelements
und eines Carrier-Boards mit erstem und zweitem
Hybridelement,
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Fig. 4 ein Motion Control System im zentralen Aufbau mit
kombiniertem Regler- und Leistungsteil,
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Fig. 5 ein Motion Control System im zentralen Aufbau mit
abgesetztem Leistungsteil,
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Fig. 6 ein Motion Control System im dezentralen Aufbau mit
kombiniertem Regler- und Leistungsteil,
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Fig. 7 ein Motion Control System als Einachs-Applikation,
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Fig. 8 ein Motion Control System als Zweiachs-Applikation,
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Fig. 9 ein Motion Control System als Dreiachs-Applikation
und
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Fig. 10 das Kopplungsprinzip zwischen Regler- und
Leistungskarten.
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Fig. 1 zeigt die Integration von Funktionsbausteinen 12, 13,
14, 15 zu einem ersten Hybridelement 1. Die Funktionen
Busankopplung 12, Interpolation 13, Lageregelung 14 und
Drehzahlregelung 15 werden im Ausführungsbeispiel von Fig. 1
im ersten Hybridelement 1 zusammengefasst. Das erste
Hybridelement 1 wird auch als Positioniermodul bezeichnet.
Die Funktionen 12, 13, 14, 15 werden in hochintegrierten
Funktionsbausteinen 11, sogenannten ASICs, realisiert. Diese
Funktionsbausteine 11 bilden zusammen mit weiteren Bauteilen
das erste Hybridelement 1. Die Interpolation 13 kann auch
über die zentrale Steuerungs-CPU erfolgen. Ferner weist das
Positioniermodul Schnittstellen zur zentralen Steuerungs-CPU
und eine Kopplungsmöglichkeit für den Aufbau von mehreren
Achsen auf. Sub-D-Stecker sind für die Geberrückführung
erforderlich.
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In Fig. 2 ist die entsprechende Integration von
Funktionsbausteinen 22, 23, 24 zu einem zweiten Hybridelement
2 dargestellt. Die Funktionen Stromregelung 22,
Kommutierungsberechnung 23 und Verstärkung 24 werden im
zweiten Hybridelement 2 zusammengefasst. Das zweite
Hybridelement 2 wird auch als Leistungsmodul bezeichnet. Die
Funktionen 22, 23, 24 werden auch hier in hochintegrierten
Funktionsbausteinen 21 realisiert, welche zusammen mit
weiteren Bauteilen das zweite Hybridelement 2 bilden. In das
Leistungsmodul wird ein Gleichstrom (Schutzkleinspannung bis
42 V) eingespeist. Die Leistung soll nicht mehr als 300 W
betragen. Somit ist gewährleistet, dass die Entwärmung kein
besonderes Problem bereitet. Das Leistungsmodul muss so
bemessen sein, dass die Verlustleistung lüfterlos abgeführt
werden kann. Ein hochintegrierter digitaler Signalprozessor
(abgekürzt DSP) berechnet aus dem Drehzahl-Sollwert die
Kommutierung sowie die Bestromung für die Verstärkung, in
diesem Fall also die Endstufe. Bei der weiter unten näher
beschriebenen abgesetzten Lösung verbindet ein proprietärer
Bus das Positioniermodul mit dem Leistungsmodul.
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Fig. 3 zeigt Ansichten eines ersten und zweiten Hybridelements
1, 2 und eines Carrier-Boards 3 mit erstem und zweitem
Hybridelement 1, 2, jeweils aus verschiedenen Perspektiven.
Die Hybridelemente 1, 2 werden über das Carrier-Board 3 zu
einer funktionalen Einheit zusammengeschaltet. Ein Carrier-
Board ist eine Trägerplatte, welche die nötige mechanische
Stabilität, elektrische Kontaktmittel und Befestigungsmittel
besitzt, um Bauteile aufzunehmen, zu halten und zu
kontaktieren. Unterschiedlich gestaltete Carrier-Boards 3
können in den verschiedensten Rechnersystemen z. B. SPS, IPC
oder Rack-PC eingebaut bzw. kombiniert werden. Das erste
Hybridelement 1, ausgebildet als Positioniermodul, weist ein
Gehäuse 17 und als Kontaktschiene 16 ausgebildete
Kontaktelemente aus. Entsprechend weist das zweite
Hybridelement 2, ausgebildet als Leistungsmodul, ein Gehäuse
27 und als Kontaktschiene 26 ausgebildete Kontaktelemente
aus. Die Kontaktelemente der Hybridelemente 1, 2 dient zur
elektrischen Kontaktierung mit als Kontaktleisten
ausgebildeten Kontaktelementen 4, 5 des Carrier-Boards 3.
Gleichzeitig dient die Verbindung der Kontaktschienen 16, 26
mit den Kontaktleisten des Carrier-Boards 3 zur mechanischen
Befestigung. Die mechanische Befestigung der Hybridelemente
1, 2 auf dem Carrier-Board 3 wird üblicherweise außerdem über
weitere Befestigungsmittel zur weiteren Stabilisierung
erfolgen.
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Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 zeigen verschiedene Aufbauvarianten
eines Motion Control Systems. Das Motion Control System
enthält dabei jeweils die Elemente CPU 6, zentrale Peripherie
7 bzw. dezentrale Peripherie 29, Reglereinheiten 18,
Leistungsteile 28, Motoren 9 und einen Zwischenkreis, welcher
mit dem Bezugszeichen 8, 30 bzw. 20 gekennzeichnet ist. Die
vom Motion Control System zu regelnden Motoren 9 erhalten
jeweils über Leitungen bzw. Verbindungen von den
Leistungsteilen 28 die Antriebsenergie bzw. von den
Reglereinheiten 18 die Regelungssignale. Die Reglereinheiten
18 sind eine Ausführungsform der ersten Hybridelemente 1, die
Leistungsteile 28 stellen eine Ausführungsform der zweiten
Hybridelemente 2 dar.
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Fig. 4 stellt ein Motion Control System im zentralen Aufbau
mit kombiniertem Regler- und Leistungsteil dar. Die CPU 6,
die Baugruppen der zentralen Peripherie 7 sowie die
Reglereinheiten 18 und die Leistungsteile 28 sind dabei
örtlich zusammengefasst aufgebaut, z. B. auf einer
gemeinsamen Hutschiene.
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In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind die
Leistungsteile 28 und der Zwischenkreis 30 räumlich vom Rest
des Motion Control System abgesetzt, in räumlicher Nähe zu
den Motoren 9. Das bietet den Vorteil, dass die
Leistungsverbindungen möglichst kurz gehalten werden können.
Vorteilhafterweise beinhalten die Reglereinheiten 18, d. h.
die Positioniermodule, die Feldbusanschaltungen (P-, K-Bus,
Profibus, Ethernet, CAN-Bus, Firewire) für die dezentrale
Variante.
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Fig. 6 schließlich zeigt einen dezentralen Aufbau eines Motion
Control Systems, bei dem die räumlich voneinander getrennten
Elemente CPU 6, dezentrale Peripherie 29 und Reglereinheiten
18 mit Leistungsteilen 28 über einen Feldbus 10 miteinander
verbunden sind und kommunizieren. Die Reglereinheiten 18
bilden jeweils eine Einheit mit den Leistungsteilen 28,
welche mit dem Zwischenkreis 20 verbunden sind.
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Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 zeigen in abstrahierter Form
verschiedene Variationsmöglichkeiten von Zusammenschaltungen
von Positioniermodulen P und Leistungsmodulen L bei
Applikationen mit variierender Anzahl an Antriebsachsen. In
Fig. 7 werden für eine Einachs-Applikation, d. h. für eine
Applikation mit einer Antriebsachse, zwei Möglichkeiten der
Zusammenschaltung dargestellt. Mit den Bezugszeichen 71 und
72 sind Carrier-Boards bezeichnet, die zur Realisierung einer
ersten Lösung dienen, bei welcher das Positioniermodul P auf
dem ersten Carrier-Board 71 und das Leistungsmodul L auf
einem zweiten Carrier-Board 72 angeordnet sind. Bei der
ebenfalls dargestellten zweiten Lösung wird das
Leistungsmodul L mit dem Positioniermodul P auf einem
Carrier-Board 73 kombiniert. Entsprechend Fig. 7 sind in Fig. 8
für zwei Antriebsachsen und in Fig. 9 für drei Antriebsachsen
jeweils zwei Möglichkeiten der Zusammenschaltung dargestellt.
In der jeweils ersten Möglichkeit sind das Positioniermodul P
auf einem Carrier-Board 81 bzw. 82 und die zwei bzw. drei
Leistungsmodule L auf einem anderen Carrier-Board 91 bzw. 92
angeordnet. In der jeweils zweiten Möglichkeit sind die
Baugruppen auf einem Carrier-Board 83 bzw. 93
zusammengeschaltet.
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Das Kopplungsprinzip zwischen Regler- und Leistungskarten
veranschaulicht Fig. 10. Reglerkarten 110 sowie
Leistungskarten 120 bilden eine besondere Ausführungsform
eines ersten Hybridelements 1 bzw. eines zweiten
Hybridelements 2. Die Reglerkarten 110 besitzen
Busankopplungen 106 und Anschlüsse 107 für die
Istwerterfassung mit Geber und Resolver. Sie sind über
Flachbandkabel 105 mit den Leistungskarten 120 und mit
Buskopplern miteinander verbunden. Die Leistungskarten 120
weisen Klemmen 104 für die Leistungsverbindungen zu Motoren
und Leistungskoppler 103 für die Leistungsverbindung
untereinander auf. Eine erste Leistungskarte 120 wird über
eine Einspeisung 102 mit Energie versorgt, welche teilweise
über die Leistungskoppler 103 an die anderen Leistungskarten
120 weitergegeben wird.
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Im Folgenden wird das technologische Umfeld der Erfindung
näher erläutert. Bei den SME (Semiconductor Manufacturing
Equipment) Maschinenherstellern gibt es derzeit keine
steuerungsseitig geschlossene und damit standardisierte
Automatisierungslösung. So ist es kennzeichnend, dass CPU-
mässig sowohl VME-Bus basierende Systeme, kundenspezifisch
gebaute "Embedded-Controller", Industrie-PC mit 486-
Prozessoren und Windows 3.11-Betriebssystem als auch Pentium-
Prozessoren mit Windows NT-Betriebssystem vorherrschend sind.
SPS-basierende Systeme haben einen relativen geringen
Marktanteil von etwa 10%. Bei den Maschinen werden
hauptsächlich Motion Control Systeme bis zu Leistungen von
1 kW eingesetzt. Die Leistung der überwiegenden Zahl der
Achsen liegt sogar bei weniger als 300 W. Es werden die
unterschiedlichsten Aufbauformen angeboten. So gibt es Motion
Control Hersteller, die Regelung und Verstärker in
gemeinsamen oder in getrennten Gehäusen anbieten. Dies für
eine, für zwei, drei oder sogar vier unabhängige bzw.
abhängige Achsen. Andere Motion Control Hersteller
konzentrieren sich auf Steckkartenformate z. B. 6HE- bzw.
3HE-Bauhöhen für 19"-Racksysteme. Dabei können
regelungstechnisch bis zu vier bis zwölf Achsen zentral
gesteuert werden. Die Verstärker mit der Bauhöhe 3HE
beinhalten typischerweise eine bis vier Achsen. In den
zeitkritischen Applikationen werden die Antriebe zentral an
die CPU angeschlossen. Dabei erhält das Motion Control System
von der CPU eine Positionsvorgabe. Bei weniger zeitkritischen
Applikationen gehen die Positionsvorgaben über einen Feldbus.
Bei den Feldbussystemen dominiert der CAN-Bus. Ethernet wird
bei einigen Herstellern forciert. Die vier Hauptachsen bei
einem "Wire-Bonder" werden interpolierend gefahren, d. h.
diese Achsen hängen voneinander ab. Der Bond-Prozess wird
typischerweise in 50-100 µs abgearbeitet. In Ergänzung zum
bereits beschriebenen Verfahren mit intelligenten Achskarten,
die nach Vorgabe der Endposition durch die zentrale CPU den
Verfahrbefehl autark abarbeiten, sind noch Systeme mit
zentraler Positioniersteuerung zu nennen.
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Die heute übliche Softwarelösung besteht aus einer
Kombination von Standardfunktionen wie Interpolation,
Positionierung, Sanftanlauf, Synchronisation, Datenhandling
(welches die interne Datenschnittstelle zu den
Softwarebausteinen definiert) und kunden- bzw.
branchenspezifischen Erweiterungen. Die Lösung basiert
darauf, dass die Kontrolle der Achsen in äquidistante Takte
zerlegt wird. Innerhalb einer Millisekunde und kleiner werden
die Ist- und Soll-Werte mit den angeschlossenen Antrieben
ausgetauscht. Mit diesem Konzept wird die gesamte Maschine
zentral koordiniert. Die derzeitige Technologie basiert auf
zwei voneinander unabhängigen Regelkomponenten. Im Gehäuse
(z. B. 19"-Rack) befinden sich Umrichter und Regelkarte.
Beide sind verbunden über eine Analogschnittstelle und einem
Gebersignal. Die o. g. erforderlichen Komponenten werden in
einem Gehäuse integriert und innerhalb der Maschine in der
Nähe des Motors installiert. Die Verbindung des Motion
Control Systems zur CPU erfolgt über einen Feldbus. Die
Vorteile liegen auf der Hand: Geringerer
Installationsaufwand, geringere Kosten für die Funktion Achse, bessere
technische Leistungsdaten durch digitale Ansteuerung der
Antriebskomponente über den Bus. Darüber hinaus gäbe es eine
erweiterte Diagnosefunktion durch Buszugang auf
antriebsinterne Parameter wie z. B. die Motortemperatur
oder Ähnliches.
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Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Antriebssystem,
insbesondere für Positionierantriebe im
Kleinleistungsbereich, welches modularisiert aufgebaut ist. Das
Antriebssystem enthält mindestens ein erstes Hybridelement 1
als Positioniermodul, mindestens ein zweites Hybridelement 2
als Leistungsmodul und ein Carrier-Board 3, welches
Kontaktelemente 4, 5 zur elektrischen Kontaktierung der
ersten und zweiten Hybridelemente 1, 2, erste
Befestigungsmittel zur mechanischen Aufnahme der ersten und
zweiten Hybridelemente 1, 2 und eine Verbindung zu einer
übergeordneten zweiten Rechnereinheit aufweist.