DE10161581A1 - Flexibles und kompaktes Motorsteuerungsmodul basierend auf dem CAN-Kommunikationsnetzwerk - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles und kompaktes Motorsteuerungsmodul, welches auf dem "Controller Area Network" (CAN) Kommunikationsnetzwerk basiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Motorsteuerungsmodul, welches auf dem ISO11898 Standard "Controller Area Network" (CAN) basiert, welches für seine Eignung in der Kommunikation intelligenter Sensoren und Aktuatoren anerkannt ist und ebenfalls im Stande ist, die Lage-Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerungsbefehle eines Motors zu erhalten, und digitale Steuerungsfunktionen unabhängig vom Motortyp oder der Leistungsaufnahme auszuführen und Rückmeldungsdaten zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles und kompak­ tes Motorsteuerungsmodul, welches auf dem "Controller Area Network" (CAN) basiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Motorsteuerungsmodul, welches auf dem ISO11898 Standard "Controller Ara Network" (CAN) basiert, welches für seine Eignung in der Kommunikation intelligenter Sensoren und Aktuatoren anerkannt ist und ebenfalls im Stande ist, die La­ ge- Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerbefehle eines Mo­ tors zu erhalten, und digitale Steuerfunktionen unabhängig vom Motorentyp und der Leistungsaufnahme auszuführen und Rückmeldungsdaten zu übertragen.

Bei der herkömmlichen Gestaltung und Herstellung von mikro­ prozessorbasierten Steuerungsmodulen zum Antreiben von Moto­ ren, welche wesentlich für Fabrikautomationssysteme sind, ist ein getrenntes Steuerungsmodul für jeden Motor gemäß seiner Leistungsaufnahme und seines Typs, vorgesehen. Die meisten Schnittstellen für Steuerungsmodule der höheren Ebene beste­ hen aus Parallelports oder eins zu eins seriellen Ports, die für eine zentrale Steuerung geeignet sind.

Entsprechend steigt die Anzahl von Verdrahtungen zwischen dem Antriebsmechanismus und dem Steuerungsmodul wesentlich für eine integrierte Steuerung einer Vielzahl von Motoren und verursacht folglich einige Schwierigkeiten für die Reparatur und Wartung des Steuerungssystems.

Außerdem treten, selbst wenn eine serielle Kommunikation vom Bustyp zwischen den Schnittstellen der höheren Ebene jedes Steuerungsmodultyps möglich ist, viele Schwierigkeiten in der Systemsteuerung aufgrund der Unterschiede zwischen den ein­ zelnen Protokollen auf. Bei einem Motorsteuerungsmodul, wel­ ches die oben genannten Funktionen aufweist, beeinträchtigt oft die große Größe des Kontrollmoduls den effektiven Einsatz des verfügbaren Raumes.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist so konzipiert, dass sie die oben genannten Probleme des Standes der Technik zu überwin­ det. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Motorsteu­ erungsmodul, welches auf dem CAN basiert, bereitzustellen, das im Stande ist, verschiedene Motortypen durch Unterschei­ den des wesentlichen DSP/CAN-Moduls und des Motorantriebsmo­ duls und durch Ersetzen lediglich des Programms des wesentli­ chen DSP/CAN-Moduls und des Motorantriebsmoduls entsprechend ihrer Typen und Charakteristika flexibel zu steuern.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Motorsteuerungsmodul, welches auf dem CAN basiert, bereitzustellen, das nicht nur im Stande ist, ein integriertes verteiltes Steuerungssystem durch einfaches Anbringen und Abnehmen des wesentlichen DSP/CAN-Moduls und des Motorantriebsmoduls ohne die Notwen­ digkeit den Leistungsverstärker der Automationslinie zu er­ setzen, welche eine Vielzahl von Motoren aufweist, zu instal­ lieren, sondern außerdem im Stande ist, die Anzahl der Ver­ drahtungen und die Raumverschwendung der Automationslinie durch Einführen des wesentlichen DSP/CAN-Moduls und des Mo­ torantriebsmoduls in kleiner Größe deutlich zu reduzieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Mo­ torsteuerungsmodul, welches auf dem CAN basiert, bereitzu­ stellen, das im Stande ist, Kosteneinsparungen zu verbessern und die Offenheit des Systems für PC-basierte integrierte Mo­ torsteuerungen voranzutreiben, sowie die Reparatur und War­ tung durch Annehmen des "Controller Area Networks" (CAN) zu vereinfachen, welches dem ISO11898 Standard entspricht, und reichhaltige PC-Schnittstellen als Kommunikationsverfahren einer höheren Ebene für ein Motorsteuerungsmodul aufweist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Motorsteue­ rungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Konfigurationsdiagramm des Verbindungskon­ taktes J1 zwischen dem wesentlichen DSP/CAN-Modul und dem Motorantriebsmodul.

Fig. 3 ist ein Konfigurationsdiagramm des Verbindungskon­ taktes J2 zwischen dem wesentlichen DSP/CAN-Modul und dem Motorantriebsmodul.

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches das generelle Prinzip ei­ ner Motorsteuerung darstellt.

Fig. 5 verdeutlicht den Typ und die Lage der Verbindungs­ kontakte des wesentlichen DSP/CAN-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 verdeutlicht den Typ und die Lage der Verbindungs­ kontakte des flexiblen Servo- Antriebsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 7 verdeutlicht den Typ und die Lage der Verbindungs­ kontakte des DC-Servo- Antriebsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Bezugszeichen der Hauptteile der Zeichnun­ gen:
A: DSP/CAN wesentliches Modul
B: Motorantriebsmodul
B1: flexibles Servoantriebsmodul
B2: DC-Servoantriebsmodul
C: Steuerungsmodul
J1, J2: Verbindungskontakte
M: Motor
PWM Amp: Leistungsverstärker
10: DSP (Digitaler Signalprozessor)
12: CAN-Treiber
14: RS232C-Treiber
16: Programm RAM
18: Daten RAM
20: MAC (Medium Access Control) ID-Auswahlschalter
30: getrennter Energiequellenumformer
32: Encoder
4: antreibender Ausgang
36: Pulszähler
42: Adressendecoderschaltung
44: DIP-Schalter
46: verdrillte CAN-Paarleitung
48: serieller Sockel
52 : 24 V-Ausgang
54 : 5 V-Ausgang
56: M-5 V-Ausgang
58 : 24 V-Eingang
60, 62: Digitaleingang
64: Motorausgang

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Um die oben genannten Aufgaben zu lösen, wählt die vorliegen­ de Erfindung die aufgeteilte serielle Kommunikation CAN des ISO11898 Standards als eine höhere Schnittstelle für das Mo­ torsteuerungsmodul. Die aufgeteilte Steuerungssystemkonfigu­ ration ist aufgrund ihrer Effizienz, was die Überwachungs­ steuerung eines Fabrikautomationssystems betrifft, das eine Vielzahl von Motoren aufweist, anerkannt. Die vorliegende Er­ findung stellt ein digitales Motorsteuerungsmodul kleiner Größe zur Verfügung, welches auf einem bestimmten Motorsteue­ rungs-DSP (Digitaler Signalprozessor) basiert, der ein einfa­ ches Entfernen/Anbringen und eine einfache Reparatur/Wartung zulässt. Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein fle­ xibles Motorantriebsmodul zur Verfügung, welches im Stande digitaler Steuerung und Kommunikation ist, welches selbst für die Motoren, die an den herkömmlichen Automationslinien ange­ bracht sind, unabhängig von ihrem Typ und ihrer Leistungsauf­ nahme geeignet ist.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail mit Be­ zug auf die verfügbaren Zeichnungen von Fig. 1 bis Fig. 7 be­ schrieben.

Zuerst wird nachfolgend das generelle Prinzip einer Mo­ torsteuerung beschrieben. Um einen Motor M in Fig. 4 zu steu­ ern, werden ein Steuerungsmodul, ein Motor und ein geeigneter Leistungsverstärker (PWM Amp), die für die Motorbelastbarkeit geeignet sind, benötigt. Das Steuerungsmodul C berechnet die geeignete Steuergröße für den gegebenen Zweck, die auf den Signalen des Encoders des Motors M basiert. Die Steuergröße, welche von der Steuerung C berechnet wird, wird in die ent­ sprechenden Pulsweiten Modulationssignale (PWM) umgewandelt und zum Leistungsverstärker (PWM Amp) weitergeleitet. Der Leistungsverstärker (PWM Amp) leitet die entsprechende Leis­ tung, welche auf den von der Steuerungsmodul C empfangenen PWM Signalen basiert, zum Motor M, um den Motor M zu betrei­ ben. Wieder überträgt der Motor M die Encodersignale zum Steuerungsmodul C und wiederholt den gesamten Vorgang konti­ nuierlich für die Steuerung.

Fig. 1 verdeutlicht die Konfiguration eines flexiblen Mo­ torsteuerungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, welches den Betrieb eines Bedienmotors M mit zwei Achsen übernimmt.

Die Basiskonfiguration der vorliegenden Erfindung weist einen bestimmten Motorsteuerungs-DSP 10 mit einem eingebauten CAN- Steuerungsmodul, einem Programm RAM 16, in dem das notwendige Programm für die Motorsteuerung gespeichert ist und ein Daten RAM 18, in dem die notwendigen Daten zur Motorsteuerung ge­ speichert werden, einen CAN-Treiber 12, der den CAN mit dem DSP 10 über das RS232C Kommunikationsnetzwerk verbindet, ein wesentliches DSP/CAN-Modul A, welches einen "Medium Access Control" (MAC) ID-Wahlschalter 20 aufweist, der die Knoten im eingesetzten Netzwerk mit binären Zahlen kennzeichnet, einen separaten Energiequellenumformer 30, an dem das wesentliche DSP/CAN-Modul A durch die Verbindungskontakte J1, J2 versorgt werden und transformiert die 24 V der Hauptenergiequelle ge­ trennt in eine 5 V-Energiequelle zum Zweck der Kommunikati­ on/Motor/Prozessor, einen Treiberausgang 34, welcher Leistun­ gen in Verbindung mit dem zu steuernden Motor M und dem Leis­ tungsverstärker (PWM Amp) ausgibt, einen Encodereingang 38, der Codes in den Encoder 32 eingibt, welcher mit dem Motor M verbunden ist, ein Motorantriebsmodul B, das aus einem digi­ talen Signalumformer 36 besteht, der digitale Eingangs-/Aus­ gangssignale transformiert, auf.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem CAN des ISO11898 Standards, der für seine Eignung in der Kommunikation intel­ ligenter Sensoren und Aktuatoren anerkannt ist. Zu Beginn wurde CAN entwickelt, um verschiedene Sensoren und Instrumen­ te zu steuern, obwohl sie im Inneren eines Autos installiert waren; jedoch wurde seine Verwendung auf das computerinteg­ rierte Herstellungssystem und das FA-System seit der zweiten Hälfte der 90er Jahre erweitert. Mit den funktionalen Aufrüs­ tungen etabliert sich CAN fest als das Netzwerk, das im Stan­ de ist, alle benötigten Herstellungsinformationen von den Herstellungslinien für das Automationssystem zu integrieren.

Mit den zusätzlichen Vorteilen bei der Stabilitätsverbesse­ rung der Herstellungslinien ist CAN im Stande, die System­ fehlfunktionen, die von der komplexen Verdrahtung herrühren, zu reduzieren und somit in einer deutlichen Kostenreduktion zu resultieren. Es kann als intelligentes Netzwerk eingesetzt werden, das die lokalen Instrumente steuert, und eine Selbst­ diagnose über Industrie-PCs aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und schnellen Abarbeitung, die auf einem Prioritätsschema ba­ siert, erstellt. Außerdem ist eine Echtzeitsteuerung möglich, da es mit dem Steuerungsmodul und den lokalen Instrumenten durch eine einzelne Verdrahtung kommunizieren kann.

Wenn zum Beispiel die Eingangs-/Ausgangssignale direkt von den lokalen Instrumenten eingesetzt werden, waren früher meh­ rere Dutzend Verdrahtungen erforderlich. CAN jedoch kann die Verteilung und Managementsteuerung der lokalen Instrumente mit nur zwei Leitungen, wie den Telefonleitungen realisieren.

Das wesentliche DSP/CAN-Modul A, welches auf dem CAN basiert, nimmt die Form eines Huckepack-Typs ein, wobei es auf das Mo­ torantriebsmodul B durch die Verbindungskontakte J1, J2 ange­ bracht wird. Das wesentliche DSP/CAN-Modul A nimmt zusammen mit dem Motorantriebsmodul B die Rolle des Kontrollmoduls C in Fig. 4 ein. Für den DSP 10 des bestimmten Motorsteuerungs­ prozessors mit einem eingebauten CAN-Steuerungsmodul setzt die vorliegende Erfindung einen TMS320F243 ein. Der DSP 10 verrichtet arithmetische Operationen an den digitalen Daten, die durch die Umwandlung des analogen Signals erzielt werden, und verarbeitet die Signale mittels Filterung oder Spektral­ analyse. In dem Programm RAM 16 bzw. dem Daten RAM 18, die mit dem DSP 10 verbunden sind, werden das Programm und die Daten, die für die Motorsteuerung benötigt werden, gespei­ chert.

Der MAC ID-Wahlschalter 20 bestimmt eine Netzwerk ID in dem CAN, um Hochgeschwindigkeitsdaten zu übertragen. In Fig. 5 sind die verdrillten CAN-Paarleitungen 46, die Verbindungs­ kontakte für das wesentliche DSP/CAN-Modul A, und der seriel­ le Sockel 48 ist für den RS233C. Außerdem bestimmt der DIP- Schalter 44 die Betriebszustände des DSP 10. Der getrennte Energiequellenumformer 30 in dem Motorantriebsmodul B trans­ formiert die 24 V der Hauptenergiequelle getrennt in eine 5 V- Energiequelle zum Zweck der Kommunikation/Motor/Prozessor. Der Treiberausgang 34 gibt Motorantriebssignale, in Verbin­ dung mit dem zu steuernden Motor und dem Leistungsverstärker (PWM Amp), ab. Der Encodereingang 38 gibt Phasensignale vom Encoder 32 ein, der mit dem Motor M verbunden ist. Der digi­ tale Signalumformer 36 transformiert digitale Eingangs- /Ausgangssignale. Der Encoderpulszähler 40 und die Adressen­ decoderschaltung 42 sind im DSP 10 eingebettet.

Das Motorantriebsmodul B kann in ein flexibles Servo- Antriebsmodul B1, wenn ein externer Verstärker eingesetzt wird, und ein DC Servoantriebsmodul 82 für den Betrieb eines kleinen Motors, aufgeteilt werden.

Die Struktur des flexiblen Servoantriebsmoduls B1 in Fig. 6 weist einen Encodereingang 38 und einen Betriebsausgang 34 auf und weist insbesondere einen 24 V-Eingang 58, einen 24 V- Ausgang 52 und einen 5 V-Ausgang 54 zum Ausgeben der abgetas­ teten Daten und einen M-5 V-Ausgang 56 und einen digitalen Eingang 60 zum Eingeben der abgetasteten Daten, auf.

Das DC Motorantriebsmodul B2 in Fig. 7 ist ein Modul, das weithin zum Antreiben kleiner Motoren mit einer Leistung un­ ter 75 W, z. B. für Robotersysteme, eingesetzt wird und weist einen kleinen eingebauten Verstärker auf. Die Encodersignale vom Motor M werden in das Antriebsmodul B2 eingegeben, und die Leistung wird vom Motor ausgegeben. Das DC Motorantriebs­ modul B2 ist durch Kombinieren eines Steuerungsmoduls und ei­ nes 75 W DC Motorverstärkers aufgebaut. Der Digitaleingang 62 und der Motorausgang 64 sind nicht in Fig. 7 dargestellt. Das wesentliche DSP/CAN-Modul A und das Motorantriebsmodul B sind durch die Verbindungskontakte J1, J2 verbunden, wobei die Fig. 2 und die Fig. 3 den Signaltyp und die -bezeichnung der Verbindungsstücke J1, J2 darstellen.

Das Verbindungsstück J1, an dem die Signale, die mit dem An­ treiben des Motors M in Beziehung stehen normalerweise ange­ ordnet ist, weist ein CAN, die Pins der 5 V-Energiequelle des DSP (p1, p2), (p39, p40), (p15, p16), (p35, p36), die 8-Kanal A/D-Wandler Eingangspins (p3-p10), die Motorantriebspins für zwei Achsen (p27, p28, p11, p12) und die Rückmeldungssignal­ pins (p17-p26, p29-p34) auf.

Das Verbindungsstück J2 weist die 5-Bit-Adresspins (p11, p13, p15, p17, p18), die 8-Bit-Datenbuspins (p2, p4, p6, p8, p10, p12, p14, p16) und die 5-Bit-Buststeuerungspins (p1, p3, p5, p7, p9) auf.

Die Verbindungsstücke J1 und J2 stellen die Eingangs-/Aus­ gangssignalflexibilität des Antriebsmoduls bereit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine flexible Steuerung verschiedener Motortypen durch Unterscheiden des wesentlichen DSP/CAN-Moduls und des Motorantriebsmoduls zur Motorsteuerung möglich, wodurch es möglich ist, nur die Programme des uner­ lässlichen DSP/CAN-Moduls und/oder des Motorantriebsmoduls, gemäß den Typen und Charakteristika der Motoren, zu ersetzen. Ebenfalls kann ein integriertes aufgeteiltes Steuerungssystem durch Einführen des wesentlichen DSP/CAN-Moduls und des Mo­ torantriebsmoduls in einem 6 cm × 10 cm × 3 cm großen Raum gemäß der vorliegenden Erfindung installiert werden, wobei das wesentliche DSP/CAN-Modul und das Motorantriebsmodul ein­ fach angebracht/abgenommen werden können, ohne den Leistungs­ verstärker in einer Automationslinie, welche eine Vielzahl von Motoren aufweist, zu ersetzen. Des weiteren ist die vor­ liegende Erfindung im Stande, die Anzahl der Verdrahtungen und der Raumverschwendung der Automationslinie dadurch zu re­ duzieren, dass man die vorgeschlagenen Controller in der Nähe der Aktuatoren, anordnet.

Schließlich trägt die vorliegende Erfindung zur Offenheit der integrierten Motorsteuerung, welche auf dem PC basiert sowie der Minimierung der Kosten und der Reparatur/Wartung durch Einführen des CAN, welches der ISO11898 Standard ist, bei und weist eine reichhaltige PC-Schnittstelle als Kommunikations­ verfahren der höheren Ebene für ein Motorsteuerungsmodul auf.

Claims (7)

1. Motorsteuerungsmodul, welches auf dem "Controller Area Network" (CAN) Kommunikationsnetzwerk basiert, mit:
einem bestimmten Motorsteuerungs-DSP (Digitaler Signal­ prozessor) (10) mit einem eingebauten CAN- Steuerungsmodul;
einem Programm RAM (16), in dem das benötigte Programm für die Motorsteuerung gespeichert ist und einem Daten RAM (18), in dem die benötigten Daten zur Motorsteuerung gespeichert sind;
einem CAN-Treiber (12), der das CAN mit dem DSP (10) über ein RS232C Kommunikationsnetzwerk verbindet;
einem wesentlichen DSP/CAN-Modul (A), welches aus einem "Medium Access Control" (MAC) ID-Auswahlschalter (20) besteht, der eine Knotenadresse im eingesetzten Netzwerk in eine binäre Zahl wandelt;
einem getrennten Energiequellenumformer (30), an dem das wesentliche DSP/CAN-Modul (A) durch die Verbindungsstü­ cke (J1, J2) angeschlossen ist, und welches die 24 V der Hauptenergiequelle in eine 5 V-Energiequelle transfor­ miert, die separat für den Zweck der Kommunikati­ on/Motor/Prozessor ist;
einem Antriebsausgang (34), welcher Leistung in Verbin­ dung mit dem zu steuernden Motor (M) und dem Leistungs­ verstärker (PWM Amp) ausgibt;
einem Encodereingang (38), der Phasensignale vom Encoder (32), der mit dem Motor (M) verbunden ist, eingibt; und
einem Motorantriebsmodul (B), das aus einem digitalen Singnalumformer (36) besteht, der digitale Eingangs-/­ Ausgangssignale transformiert.

2. Steuerungsmodul nach Anspruch 1, wobei das wesentliche DPS/CAN-Modul (A) an das Motoran­ triebsmodul (B) in Form einer Huckepack-Gestalt ange­ schlossen ist.

3. Steuerungsmodul nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsstück (J1) des weiteren einen CAN, die Pins der 5 V-Leistungsquelle des DSP (p1, p2), (p39, p40), (p15, p16), (p35, p36), die 8-Kanal-A/D- Wandlereingangspins (p3-p10), die Motorantriebspins für zwei Achsen (p27, p28, p11, p12) und die Rückmeldungs­ signalpins (p17-p26, p29-p34) aufweisen.

4. Steuerungsmodul nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsstück (J2) 5-Bit-Adresspins (p11, p13, p15, p17, p18), 8-Bit-Datenbuspins (p2, p4, p6, p8, p10, p12, p14, pl6) und 5-Bit-Bussteuerungspins (p1, p3, p5, p7, p9) aufweist.

5. Steuerungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungspins des wesentlichen DSP/CAN- Moduls (A) des weiteren verdrillte CAN-Paarleitungen (46), einen seriellen Sockel (48) für eine RS232C und einen DIP-Schalter (44), der die Betriebszustände des DSP (10) bestimmt, aufweist.

6. Steuerungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Motorantriebsmodul einen Encodereingang (38) und einen Betriebsausgang (34) aufweist und des weiteren einen 24 V-Eingang (58), einen 24 V-Ausgang (52) und einen 5 V-Ausgang (54) zum Ausgeben der abgetasteten Daten, einen M-5 V-Ausgang (56) und einen digitalen Eingang (60) zum Eingeben abgetasteter Daten, aufweist.

7. Steuerungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Motorsteurungsmodul (B) ein DC-Motor- Antriebsmodul (B2) ist, welches durch die Kombination eines Steuerungsmoduls und eines 75 W-DC-Motorverstärkers gestaltet ist.