WO2019034445A1 - Elektrisches steuergerät - Google Patents

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Dirk Düsterberg
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Lenze Automation Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an electrical control device with a fieldbus connection.
  • the invention has for its object to provide an electrical control unit with a field bus connection available, which has the highest possible integration density.
  • the invention solves this problem by an electrical control device according to claim 1.
  • the electrical control unit has a control unit, for example in the form of a microprocessor and / or an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • a control unit for example in the form of a microprocessor and / or an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the control unit is designed to realize both a master of a field bus and a slave of the field bus simultaneously within the same control unit.
  • the controller may at the same time represent both a master and a slave of the same fieldbus.
  • the control unit can also provide only one master or one slave if only one master or one slave is necessary in the application.
  • the master can be a functional part of a programmable logic controller (PLC), which is part of the electrical control unit.
  • PLC programmable logic controller
  • the control unit has a fieldbus interface, in particular acting externally, by means of which the electrical control unit can be coupled to external fieldbus devices, that is to say with fieldbus subscribers different from the control unit, for data exchange via the fieldbus.
  • the control unit ensures that a data exchange takes place between the controller-internal master and the controller-internal slave, excluding the external fieldbus interface.
  • the control unit can, for example, cause a data exchange between the internal control unit master and the internal control unit slave via a software interface, are exchanged by means of the data, for example, over defined memory areas of the control unit, which serve as mailboxes. If the control unit is implemented as an FPGA, FPGA-internal mechanisms or memory areas can be used for data exchange without the use of the external interface or its ports for data exchange.
  • the external fieldbus interface has a first (connection) port and a second (connection) port, the first port at least temporarily forming an input port of the controller-internal slave and the second port at least temporarily an output port of the control unit internal slave.
  • a communication between master and slave takes place thereby bypassing the ports inside the control unit.
  • the electrical control unit has a multiplexer which is in data connection on the input side both with the control unit-internal master and with the control unit-internal slave and the output side is in data connection with the first port and / or with the second port.
  • a port can be assigned to either the master or the slave as needed.
  • the first port and the second port are Ethernet ports.
  • the fieldbus is an EtherCAT fieldbus.
  • the control unit is an FPGA.
  • the electrical control device is a frequency converter, a servo controller, or a so-called motion controller. Motion controllers are electrical motion control or motion control devices that can be used to manipulate a pose, speed, acceleration, or a combination thereof. Typical applications include point-to-point position control and speed control.
  • a combination of a fieldbus master with a fieldbus slave can be realized in only one electrical control unit, for example with only two fieldbus ports or fieldbus sockets.
  • the electrical control unit for example in the form of a (frequency or servo) converter, can be used as a master as well as, in particular simultaneously, as a slave.
  • the electrical control unit should have a master functionality, it uses one of the two typically available slave ports.
  • the master which may be part of a programmable logic controller, for example, can simulate a fieldbus connection to the internal control unit slave, for example, directly in software.
  • An ECU-internal multiplexer may be the Medium Access Control (MAC) layer of the master to one of the two internal slave ports, which in this case are not required for the slave.
  • MAC Medium Access Control
  • the OUT port of the fieldbus level is used by the master for coupling to other slaves.
  • the IN port could still be used for the slave.
  • the master can be placed on the internal IN port by means of the multiplexer.
  • the external IN port is unused in this case.
  • master and slave are not connected via the external ports, the master stack and the slave stack communicate as if the master were external.
  • the slave stack takes over the role as the first slave and distributes data telegrams to other slaves via the OUT port.
  • a high integration density and a combination of master and slave can be achieved in a single device or a single component.
  • the internal slaves are controlled via software and not via external ports. Therefore, a number of necessary external components are reduced. If the master and slave are integrated into the same FPGA, no external pins are needed on the FPGA to communicate between master and slave. Any necessary multiplexer may also be integrated into the FPGA. This results in a lower energy consumption and a more compact design of a board, are arranged on the master and slave.
  • FIG. 1 shows an electric drive system with an electrical control device according to a first embodiment
  • Fig. 2 shows an electric drive system with an electrical control device according to another embodiment.
  • FIG. 1 shows by way of example an electric drive system 100 with an electrical control device 1 in the form of a frequency converter according to a first embodiment.
  • the electric drive system 100 further, not shown components, for example, one or more electric motors, sensors actuators, etc., which may be operatively connected to the control unit 1.
  • the electrical control unit 1 has a control unit 2 implemented by means of an FPGA, the control unit 2 being designed to have both a master 3 inside the control unit an EtherCAT fieldbus as well as a slave 4 of an EtherCAT fieldbus.
  • the master 3 has a master stack 3a and a master MAC 3b. Accordingly, the slave has a slave stack 4a and a slave MAC 4b.
  • MAC medium access control
  • the electrical control unit 1 has an external field bus interface 5, by means of which the electrical control unit 1 can be coupled to external field bus participants 6 for data exchange.
  • a data exchange between the control unit-internal master 3 and the internal control unit slave 4 takes place excluding the external fieldbus interface. 5
  • the external field bus interface 5 conventionally has a first port 5a, which can serve as an I N port or as an OUT port, and a second port 5b, which can also serve as an IN port or as an OUT port.
  • the electrical control unit 1 has a multiplexer 7, which is on the input side both with the control unit-internal master 3 and with the control unit-internal slave 4 in data connection and the output side is connected to the second port 5b in data connection.
  • the multiplexer 7 makes it possible for the second port 5b optionally to form a port, for example an OUT port, of the controller-internal slave 4 or that the second port 5b forms a port, for example an OUT port, of the master 3 inside the control unit.
  • the port 5a is assigned to the slave 4.
  • the electrical control unit 1 or the frequency converter can be used as a master and / or as a slave.
  • the electrical control unit 1 uses one of the two slave ports, in this case, for example, 5b.
  • Master 3 or the associated PLC simulates an EtherCAT connection to slave 4 directly in software.
  • the internal multiplexer 7 thus switches the master Ethernet MAC (Ethernet Mll Port) 3b to one of the two slave ports, which are not needed in this case.
  • the port 5b of the field bus level can be used for example by the master 3 for communication with other slaves 6.
  • FIG. 2 shows an electric drive system 10 with an electrical control device 1 according to a further embodiment.
  • the master MAC 3b is connected to the controller-internal IN port of the slave 4 by means of the multiplexer 7.
  • the external (IN) port 5a is unused in this case.
  • Master stack 3a and slave stack 4a communicate as if master 3 were external.
  • the slave stack 3a assumes the role of the first slave in the fieldbus and distributes the data packets to further slaves 6 via the (OUT) port 5b.
  • an EtherCAT master 3 with an EtherCAT slave 4 is implemented in only one device with only two Ethernet sockets.
  • a size of the FPGA chip, by means of which the control unit 2 is realized, may be smaller.
  • control unit 1 may have more than the illustrated components. Furthermore, it is understood that more than one external fieldbus device 6 external to the control unit can be present, which is for example in data exchange with the master 3. Of course, the invention can be used in addition to EtherCAT with other fieldbus types.

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Abstract

Elektrisches Steuergerät (1), aufweisend: - eine Steuereinheit (2), wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern sowohl einen Master (3) eines Feldbusses als auch einen Slave (4) eines Feldbusses zu implementieren, und - eine externe Feldbus-Schnittstelle (5), mittels der das elektrische Steuergerät (1) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (6) zum Datenaustausch koppelbar ist, - wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master (3) und dem steuergeräteinternen Slave (4) unter Ausschluss der externen Feldbus-Schnittstelle (5) durchzuführen.

Description

Elektrisches Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steuergerät mit einem Feldbusanschluss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Steuergerät mit einem Feldbusanschluss zur Verfügung zu stellen, das eine möglichst hohe Integrationsdichte aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein elektrisches Steuergerät nach Anspruch 1 .
Das elektrische Steuergerät weist eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors und/oder eines FPGA (Field Programmable Gate Array).
Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, innerhalb desselben Steuergeräts gleichzeitig sowohl einen Master eines Feldbusses als auch einen Slave des Feldbusses zu realisieren. Mit anderen Worten kann das Steuergerät zur selben Zeit sowohl einen Master als auch einen Slave desselben Feldbusses 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. Der Master kann funktionaler Bestandteil einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) sein, die Bestandteil des elektrischen Steuergeräts ist.
Das Steuergerät weist eine, insbesondere nach extern wirkende, Feldbus-Schnittstelle auf, mittels der das elektrische Steuergerät mit externen d.h. mit vom Steuergerät verschiedenen Feldbus-Teilnehmern zum Datenaustausch über den Feldbus koppelbar ist. Die Steuereinheit bewirkt, dass ein Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master und dem steuergeräteinternen Slave unter Ausschluss der externen Feldbus-Schnittstelle erfolgt. Die Steuereinheit kann beispielsweise bewirken, dass einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master und dem 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. In einer Ausführungsform weist die externe Feldbus-Schnittstelle einen ersten (Anschluss-) Port und einen zweiten (Anschluss-) Port auf, wobei der erste Port zumindest temporär einen Eingangs-Port des steuergeräteinternen Slaves bildet und der zweite Port zumindest temporär einen Ausgangs-Port des steuergeräteinternen Slaves bildet. Eine Kommunikation zwischen Master und Slave erfolgt hierbei unter Umgehung der Ports steuergeräteintern.
In einer Ausführungsform weist das elektrische Steuergerät einen Multiplexer auf, der eingangsseitig sowohl mit dem steuergeräteinternen Master als auch mit dem steuergeräteinternen Slave in Datenverbindung steht und der ausgangsseitig mit dem ersten Port und/oder mit dem zweiten Port in Datenverbindung steht. Mittels des Multiplexers kann beispielsweise ein Port je nach Bedarf entweder dem Master oder dem Slave zugeordnet werden.
In einer Ausführungsform sind der erste Port und der zweite Port Ethernet-Ports. In einer Ausführungsform ist der Feldbus ein EtherCAT-Feldbus. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ein FPGA. In einer Ausführungsform ist das elektrische Steuergerät ein Frequenzumrichter, ein Servoumrichter, oder ein so genannter Motion Controller. Motion Controller sind elektrische Steuergeräte zur Bewegungsregelung oder Bewegungssteuerung, mittels denen eine Pose, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder einer Kombination daraus beeinflusst werden kann. Typische Anwendung ist beispielsweise die Punkt-zu-Punkt-Positionsregelung und die Drehzahlregelung.
Erfindungsgemäß kann eine Kombination eines Feldbus-Masters mit einem Feldbus-Slave in nur einem elektrischen Steuergerät beispielsweise mit nur zwei Feldbus-Ports bzw. Feldbus- Buchsen realisiert werden.
Das elektrische Steuergerät, beispielsweise in Form eines (Frequenz- oder Servo-) Umrichters, kann sowohl als Master als auch, insbesondere gleichzeitig, als Slave genutzt werden. Für den Fall, dass das elektrische Steuergerät eine Masterfunktionalität haben soll, nutzt es einen der beiden typisch zur Verfügung stehenden Slave-Ports. Der Master, der beispielsweise Bestandteil einer speicherprogrammierbaren Steuerung sein kann, kann eine Feldbusverbindung zu dem steuergeräteinternen Slave beispielsweise direkt in Software simulieren. Ein steuergeräteinterner Multiplexer kann die Medium-Access-Control(MAC-)Schicht des Masters auf einen der beiden internen Slave-Ports legen, die in diesem Fall für den Slave nicht benötigt werden. In diesem Fall wird beispielsweise der OUT-Port der Feldbus-Ebene durch den Master zur Kopplung mit weiteren Slaves genutzt. Der IN-Port könnte weiterhin für den Slave genutzt werden. Alternativ kann der Master mittels des Multiplexers auf den internen IN-Port gelegt werden. Der externe IN-Port ist in diesem Fall ungenutzt. Obwohl Master und Slave nicht über die externen Ports miteinander verbunden sind, kommunizieren der Master-Stack und der Slave-Stack so, als wäre der Master extern. Der Slave-Stack übernimmt die Rolle als erster Slave und verteilt Datentelegramme an weitere Slaves über den OUT-Port. Erfindungsgemäß lassen sich eine hohe Integrationsdichte und eine Kombination von Master und Slave in ein einziges Gerät bzw. einen einzigen Baustein erzielen. Eine Ansteuerung des internen Slaves erfolgt über Software und nicht über externe Ports. Daher wird eine Anzahl an notwendigen externen Komponenten reduziert. Falls der Master und der Slave in dasselbe FPGA integriert sind, werden an dem FPGA zur Kommunikation zwischen Master und Slave keine externen Pins benötigt. Ein eventuell notwendiger Multiplexer kann ebenfalls in das FPGA integriert sein. Daraus resultieren ein geringerer Energieverbrauch sowie eine kompaktere Bauform einer Platine, auf der Master und Slave angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein elektrisches Antriebssystem mit einem elektrischen Steuergerät gemäß einer ersten Ausführungsform und
Fig. 2 ein elektrisches Antriebssystem mit einem elektrischen Steuergerät gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt exemplarisch ein elektrisches Antriebssystem 100 mit einem elektrischen Steuergerät 1 in Form eines Frequenzumrichters gemäß einer ersten Ausführungsform. Typisch weist das elektrische Antriebssystem 100 weitere, nicht dargestellte Komponenten auf, beispielsweise einen oder mehrere Elektromotoren, Sensoren Aktoren, usw., die mit dem Steuergerät 1 wirkverbunden sein können.
Das elektrische Steuergerät 1 weist eine mittels eines FPGAs implementierte Steuereinheit 2 auf, wobei die Steuereinheit 2 dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern sowohl einen Master 3 eines EtherCAT-Feldbusses als auch einen Slave 4 eines EtherCAT-Feldbusses zu implementieren.
Der Master 3 weist einen Master-Stack 3a und eine Master-MAC 3b auf. Entsprechend weist der Slave einen Slave-Stack 4a und eine Slave-MAC 4b auf. Hinsichtlich der grundlegenden Funktionen der Medium-Access-Control(MAC-)Schichten und des Stacks (vom englischen Protocol Stack, auch als Protokollstack, Netzwerkstack oder Netzwerkstapel bezeichnet) sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Das elektrische Steuergerät 1 weist eine externe Feldbus-Schnittstelle 5 auf, mittels der das elektrische Steuergerät 1 mit externen Feldbus-Teilnehmern 6 zum Datenaustausch koppelbar ist.
Ein Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master 3 und dem steuergeräteinternen Slave 4 erfolgt unter Ausschluss der externen Feldbus-Schnittstelle 5.
Die externe Feldbus-Schnittstelle 5 weist herkömmlich einen ersten Port 5a auf, der als I N-Port oder als OUT-Port dienen kann, und einen zweiten Port 5b auf, der ebenfalls als IN-Port oder als OUT-Port dienen kann.
Das elektrische Steuergerät 1 weist einen Multiplexer 7 auf, der eingangsseitig sowohl mit dem steuergeräteinternen Master 3 als auch mit dem steuergeräteinternen Slave 4 in Datenverbindung steht und der ausgangsseitig mit dem zweiten Port 5b in Datenverbindung steht. Der Multiplexer 7 ermöglicht es, dass der zweite Port 5b wahlweise einen Port, beispielsweise einen OUT-Port, des steuergeräteinternen Slaves 4 bildet oder dass der zweite Port 5b einen Port, beispielsweise einen OUT-Port, des steuergeräteinternen Masters 3 bildet. Der Port 5a ist dem Slave 4 zugeordnet.
Das elektrische Steuergerät 1 bzw. der Frequenzumrichter kann als Master und/oder als Slave genutzt werden. Im Fall, dass das elektrische Steuergerät 1 (zusätzlich) eine Masterfunktionalität haben soll, nutzt das elektrische Steuergerät 1 einen der beiden Slave Ports, vorliegend beispielsweise 5b. Der Master 3 bzw. die zugehörige SPS simuliert eine EtherCAT-Verbindung zum Slave 4 direkt in Software. Der interne Multiplexer 7 schaltet so den Master Ethernet-MAC (Ethernet-Mll Port) 3b auf einen der beiden Slave Ports, die in diesem Fall nicht benötigt werden. In diesem Fall kann der Port 5b der Feldbus-Ebene beispielsweise durch den Master 3 zur Kommunikation mit weiteren Slaves 6 verwendet werden. Fig. 2 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 10 mit einem elektrischen Steuergerät 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Master- MAC 3b mittels des Multiplexers 7 mit dem steuergeräteinternen IN-Port des Slaves 4 verbunden. Der externe (IN-) Port 5a ist in diesem Fall ungenutzt. Master-Stack 3a und Slave-Stack 4a kommunizieren so, als wäre der Master 3 extern. Der Slave-Stack 3a übernimmt die Rolle als erster Slave im Feldbus und verteilt die Datenpakete an weitere Slaves 6 über den (OUT-) Port 5b.
Bei den gezeigten Ausführungsformen wird ein EtherCAT-Master 3 mit einem EtherCAT-Slave 4 in nur einem Gerät mit nur zwei Ethernet Buchsen realisiert. Durch Einsparung von Pins kann daher eine Größe des FPGA-Chips, mittels dem die Steuereinheit 2 realisiert ist, kleiner ausfallen.
Es versteht sich, dass das Steuergerät 1 mehr als die dargestellten Komponenten aufweisen kann. Weiter versteht sich, dass mehr als ein steuergeräteexterner Feldbus-Teilnehmer 6 vorhanden sein kann, der beispielsweise im Datenaustausch mit dem Master 3 steht. Selbstverständlich ist die Erfindung neben EtherCAT auch mit weiteren Feldbustypen verwendbar.

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrisches Steuergerät (1 ), aufweisend:
eine Steuereinheit (2), wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, steuergeräteintern sowohl einen Master (3) eines Feldbusses als auch einen Slave (4) eines Feldbusses zu implementieren, und
eine externe Feldbus-Schnittstelle (5), mittels der das elektrische Steuergerät (1 ) mit steuergeräteexternen Feldbus-Teilnehmern (6) zum Datenaustausch koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (2) dazu ausgebildet ist, einen Datenaustausch zwischen dem steuergeräteinternen Master (3) und dem steuergeräteinternen Slave (4) unter Ausschluss der externen Feldbus-Schnittstelle (5) durchzuführen.
2. Elektrisches Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
die externe Feldbus-Schnittstelle (5) einen ersten Port (5a) und einen zweiten Port (5b) aufweist, wobei der erste Port (5a) zumindest temporär einen Eingangs-Port des steuergeräteinternen Slaves (4) bildet und der zweite Port (5b) zumindest temporär einen Ausgangs-Port des steuergeräteinternen Slaves (4) bildet.
3. Elektrisches Steuergerät (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das elektrisches Steuergerät (1 ) einen Multiplexer (7) aufweist, der eingangsseitig sowohl mit dem steuergeräteinternen Master (3) als auch mit dem steuergeräteinternen Slave (4) in Datenverbindung steht und der ausgangsseitig mit dem ersten Port (5a) und/oder mit dem zweiten Port (5b) in Datenverbindung steht.
4. Elektrisches Steuergerät (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Port (5a) und der zweite Port (5b) Ethernet-Ports sind.
5. Elektrisches Steuergerät (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Feldbus ein EtherCAT-Feldbus ist.
6. 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.
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