DE102020210613A1

DE102020210613A1 - Elektrisches Steuergerät

Info

Publication number: DE102020210613A1
Application number: DE102020210613.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Boese; Dirk Düsterberg; Dominik Weper; Thorsten Niemann; André Lange
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Elektrisches Steuergerät (1), aufweisend:
- eine Steuereinheit (2), wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern einen Master (3) eines Feldbusses, einen ersten Slave (4) eines Feldbusses und einen zweiten Slave (5) eines Feldbusses zu implementieren,
- eine erste externe Feldbus-Schnittstelle (6), mittels der der erste Slave (4) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (7a, 7b, 7c) eines ersten, insbesondere überlagerten, Feldbusses (8) zum Datenaustausch koppelbar ist, und
- eine zweite externe Feldbus-Schnittstelle (9), mittels der der zweite Slave (5) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (10a, 10b) eines zweiten, insbesondere unterlagerten, Feldbusses (11) zum Datenaustausch koppelbar ist,
- wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master (3) und dem zweiten Slave (5) unter Ausschluss der zweiten externen Feldbus-Schnittstelle (9) durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldbus-fähiges elektrisches Steuergerät.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldbus-fähiges elektrisches Steuergerät zur Verfügung zu stellen, das flexibel an einem Feldbus verwendbar ist.
Das elektrische Steuergerät weist eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern, d.h. innerhalb desselben Steuergeräts, einen Master eines Feldbusses, einen ersten Slave eines Feldbusses und einen zweiten Slave eines Feldbusses zu implementieren. Mit anderen Worten kann das Steuergerät zur selben Zeit sowohl einen Master als auch zwei Slaves verschiedener Feldbusse darstellen. Selbstverständlich kann die Steuereinheit auch lediglich einen Master bzw. einen Slave zur Verfügung stellen, wenn in der Anwendung lediglich ein Master bzw. ein Slave notwendig ist.
Die Steuereinheit kann beispielsweise in Form eines Mikroprozessors und/oder eines FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert werden.
Das elektrische Steuergerät weist eine erste externe Feldbus-Schnittstelle auf, mittels der der erste Slave mit steuergeräteexternen, d.h. mit vom Steuergerät verschiedenen, Feldbus-Teilnehmern eines ersten, insbesondere überlagerten, Feldbusses zum Datenaustausch koppelbar ist.
Das elektrische Steuergerät weist zusätzlich zu der ersten externen Feldbus-Schnittstelle eine zweite externe Feldbus-Schnittstelle auf, mittels der der zweite Slave mit steuergeräteexternen, d.h. mit vom Steuergerät verschiedenen, Feldbus-Teilnehmern eines zweiten, insbesondere unterlagerten, Feldbusses zum Datenaustausch koppelbar ist.
Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master und dem zweiten Slave unter Ausschluss der ersten und zweiten externen Feldbus-Schnittstelle durchzuführen. Die Steuereinheit kann beispielsweise bewirken, dass ein Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master und dem zweiten steuergeräteinternen Slave über eine Softwareschnittstelle erfolgt, mittels der Daten beispielsweise über definierte Speicherbereiche der Steuereinheit ausgetauscht werden, die als Mailboxen dienen. Wenn die Steuereinheit als FPGA realisiert ist, können FPGA-interne Mechanismen bzw. Speicherbereiche zum Datenaustausch verwendet werden, ohne dass hierzu die externe Schnittstelle bzw. deren Ports zum Datenaustausch verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen steuergeräteinternen Datenaustausch ist in der DE 10 2017 214 468 A1 offenbart, die insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
In einer Ausführungsform ist der erste Slave als Distributed Clocks(DC)-Master oder als DC-Slave des ersten Feldbusses konfigurierbar. Die Distributed Clocks Technologie im EtherCAT-System ermöglicht den synchronisierten Betrieb von lokalen Uhren in allen EtherCAT-Teilnehmern (Master + Slaves). Unterstützt ein EtherCAT-Slave Distributed Clocks, liegt in seinem ESC (EtherCAT-Slave-Controller) eine Hardware-implementierte registerbasierte Uhr vor. Mithilfe dieser lokalen Uhr können nun synchron Ausgaben oder Datenerfassungen (z. B. analoger Eingang) vorgenommen werden. Ein EtherCAT-Slave kann, muss aber nicht DC unterstützen. Ein Mischbetrieb im EtherCAT-System ist möglich, solange der EtherCAT-Master DC unterstützt. Ein Teilnehmer, nämlich der DC-Master, ist dabei die Referenzuhr, alle anderen DC-fähigen Teilnehmer werden dieser Uhr fortlaufend mit einer Genauigkeit von üblicherweise < 100 ns Abweichung nachsynchronisiert. Das Synchronisierungsverfahren und die Kommunikationsweise von EtherCAT bedingen, dass der erste DC-fähige Slave im System die Referenzuhr darstellt. Die nachfolgenden Slaves erhalten zyklisch über ein spezielles Telegramm Information über den Stand der Referenzuhr und können sich dieser Zeit nachregeln. Daten über den Nachregelungsprozess sind wichtige Diagnoseinformation über den Zustand des Distributed-Clocks-Systems. Im Übrigen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
In einer Ausführungsform ist der zweite Slave als DC-Master des zweiten Feldbusses konfigurierbar.
In einer Ausführungsform ist der erste Slave als DC-Master oder als DC-Slave des ersten Feldbusses konfiguriert und der zweite Slave als DC-Master des zweiten Feldbusses konfiguriert. Das elektrische Steuergerät weist eine Synchronisierungseinheit auf, wobei die Synchronisierungseinheit dazu ausgebildet ist, die Distributed-Clocks bzw. Distributed-Clock- oder Uhren-Register des ersten Slaves und des zweiten Slaves miteinander zu synchronisieren, um den ersten Feldbus und den zweiten Feldbus hinsichtlich deren lokaler Uhren zu synchronisieren. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten Slave und dem zweiten Slave um zwei getrennte Slaves, wobei der erste Slave als der DC-Master oder DC-Slave des ersten Feldbusses und der zweite Slave als der DC-Master des zweiten Feldbusses konfiguriert ist bzw. fungiert. Mittels einer geeigneten Synchronisierungseinheit der Steuereinheit, beispielsweise einer in einem FPGA realisierten Phasenregelungs-Einheit, werden die Uhren (Distributed-Clocks) der beiden Slaves miteinander synchronisiert und in Folge dessen werden die beiden Feldbusse miteinander synchronisiert.
In einer Ausführungsform ist der Master als Master des zweiten Feldbusses konfigurierbar.
In einer Ausführungsform ist/sind der ersten Feldbus und/oder der zweite Feldbus ein Ether-CAT-Feldbus.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in Form eines FPGA realisiert.
In einer Ausführungsform ist das elektrische Steuergerät ein Frequenzumrichter, ein Servoumrichter oder ein Motion Controller bzw. Logic Controller.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 ein erfindungsgemäßes elektrisches Steuergerät, das mittels seiner Feldbus-Schnittstellen gleichzeitig mit zwei Feldbussen zum Datenaustausch gekoppelt ist.

Das in 1 gezeigte elektrisches Steuergerät 1 weist eine als FPGA realisierte Steuereinheit 2 auf, wobei die Steuereinheit 2 dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern einen Master 3 eines Feldbusses, einen ersten Slave 4 eines Feldbusses und einen zweiten Slave 5 eines Feldbusses zu implementieren.
Der Master 3 weist herkömmlich einen sogenannten Ether-CAT Master-Stack 14 und eine herkömmliche Ethernet MAC 15 auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Das elektrische Steuergerät 1 kann beispielswiese ein Frequenzumrichter, ein Servoumrichter oder ein Motion Controller sein.
Das elektrische Steuergerät 1 weist weiter eine herkömmliche erste externe EtherCAT-Feldbus-Schnittstelle 6 auf, mittels der der erste Slave 4 mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern 7a, 7b, 7c eines ersten, insbesondere überlagerten, Feldbusses 8 zum Datenaustausch gekoppelt ist. Hierbei bildet Feldbus-Teilnehmer 7a einen Master des Feldbusses 8 und der erste Slave 4 und die Feldbus-Teilnehmer 7b und 7c bilden jeweils Slaves des Feldbusses 8.
Das elektrische Steuergerät 1 weist weiter eine zweite externe EtherCAT-Feldbus-Schnittstelle 9 auf, mittels der der zweite Slave 5 mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern 10a, 10b eines zweiten, insbesondere unterlagerten, Feldbusses 11 zum Datenaustausch gekoppelt ist.
Hierbei bildet der Master 3 den Master des Feldbusses 11 und der zweite Slave 5 und die Feldbus-Teilnehmer 10a, 10b bilden jeweils Slaves des Feldbusses 11.
Sämtliche EtherCAT-Feldbus-Schnittstellen weisen herkömmlich In-Ports und Out-Ports auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die Steuereinheit 2 ist dazu ausgebildet, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master 3 und dem zweiten Slave 5 unter Ausschluss der externen Feldbus-Schnittstellen 6 und 9 durchzuführen.
Der erste Slave 4 ist als Distributed Clocks(DC)-Master oder als DC-Slave des ersten Feldbusses 8 konfiguriert. Entsprechend ist der zweite Slave 5 ist als Distributed Clocks(DC)-Master des zweiten Feldbusses 11 konfiguriert.
Das elektrische Steuergerät 1 weist eine im Steuergeräte-FPGA realisierte oder eine per Software realisierte Synchronisierungseinheit 12 auf, wobei die Synchronisierungseinheit 12 dazu ausgebildet ist, jeweilige Uhren-Register 13 des ersten Slaves 4 und des zweiten Slaves 5 miteinander zu synchronisieren, um im Ergebnis den ersten Feldbus 8 und den zweiten Feldbus 11 hinsichtlich deren lokaler Uhren zu synchronisieren. Aufgrund dieser Synchronisierung kann somit eine Synchronisierung des gesamten EtherCAT-Verbunds erfolgen.
Mittels des erfindungsgemäßen Steuergeräts 1 ist es möglich, den EtherCAT-Master 7a in DC-Qualität mit dem unterlagerten EtherCAT-Segment 11 zu synchronisieren. Weiter ist keine zusätzliche Hardware notwendig, um die beiden EtherCAT-Segmente 8 und 11 zu synchronisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017214468 A1 [0007]

Claims

Elektrisches Steuergerät (1), aufweisend: - eine Steuereinheit (2), wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern einen Master (3) eines Feldbusses, einen ersten Slave (4) eines Feldbusses und einen zweiten Slave (5) eines Feldbusses zu implementieren, - eine erste externe Feldbus-Schnittstelle (6), mittels der der erste Slave (4) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (7a, 7b, 7c) eines ersten, insbesondere überlagerten, Feldbusses (8) zum Datenaustausch koppelbar ist, und - eine zweite externe Feldbus-Schnittstelle (9), mittels der der zweite Slave (5) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (10a, 10b) eines zweiten, insbesondere unterlagerten, Feldbusses (11) zum Datenaustausch koppelbar ist, - wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master (3) und dem zweiten Slave (5) unter Ausschluss der zweiten externen Feldbus-Schnittstelle (9) durchzuführen.
Elektrisches Steuergerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Slave (4) als DC-Master oder als DC-Slave des ersten Feldbusses (8) konfigurierbar ist.
Elektrisches Steuergerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der zweite Slave (5) als DC-Master des zweiten Feldbusses (11) konfigurierbar ist.
Elektrisches Steuergerät (1) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Slave (4) als DC-Master oder als DC-Slave des ersten Feldbusses (8) konfiguriert ist und der zweite Slave (5) als DC-Master des zweiten Feldbusses (11) konfiguriert ist, und - das elektrische Steuergerät (1) eine Synchronisierungseinheit (12) aufweist, wobei die Synchronisierungseinheit (12) dazu ausgebildet ist, Uhren-Register (13) des ersten Slaves (4) und des zweiten Slaves (5) miteinander zu synchronisieren.
Elektrisches Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Master (3) als Master des zweiten Feldbusses (11) konfigurierbar ist.
Elektrisches Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der ersten Feldbus (8) und/oder der zweite Feldbus (11) ein EtherCAT-Feldbus ist.
Elektrisches Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (2) ein FPGA ist.
Elektrisches Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das elektrische Steuergerät (1) ein Frequenzumrichter, ein Servoumrichter oder ein Motion Controller ist.