Ohne Elektronik und Firmware wäre modernes Motion Control nicht denkbar. Die Entwicklung der Elektronik und Firmware hat in den letzten Jahrzehnten zu bedeutenden Fortschritten in der Automatisierungstechnik geführt, insbesondere im Bereich der Maschinensteuerung und Motion Control. Motion Control bezieht sich auf die präzise Steuerung von Bewegungen in Maschinen und Anlagen, sei es in der industriellen Fertigung, der Robotik, der Medizintechnik oder anderen Bereichen. Hinter jedem Servo- oder Schrittmotor, den wir einsetzen, steht ein Motorverstärker bzw. ein Positioniercontroller. Diese Komponenten sind für die Umwandlung von elektrischen Signalen in mechanische Bewegungen verantwortlich. Der Motorverstärker verstärkt das Steuersignal, das von der Steuerungseinheit kommt, und treibt den Motor entsprechend an. Der Positioniercontroller sorgt für die genaue Positionierung des Motors und ermöglicht die präzise Steuerung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Drehmoment. Die zentrale Steuerungsstruktur ist ein Konzept, bei dem die Steuerungseinheit zentralisiert ist und die gesamte Maschinensteuerung übernimmt. Dies bedeutet, dass alle Steuerungsaufgaben von einem zentralen Controller ausgeführt werden. Der zentrale Controller empfängt die Befehle von der übergeordneten Steuerung oder dem Bedienpersonal, verarbeitet sie und gibt die entsprechenden Signale an die einzelnen Motoren aus. Dieses Konzept bietet eine hohe Flexibilität und Kontrolle über die gesamte Maschine, ermöglicht jedoch auch eine komplexe Verkabelung und erfordert eine leistungsstarke Steuerungseinheit. Im Gegensatz dazu besteht die dezentrale Steuerungsstruktur aus mehreren unabhängigen Steuerungseinheiten, die in der Nähe der Motoren platziert sind. Jede Steuerungseinheit ist für die Steuerung eines einzelnen Motors oder einer Gruppe von Motoren verantwortlich. Diese dezentrale Anordnung ermöglicht eine effiziente Verkabelung und verkürzt die Signallaufzeiten, da die Steuerungseinheiten sich in unmittelbarer Nähe zu den Motoren befinden. Dies führt zu einer schnelleren Reaktionszeit und einer verbesserten Leistung der Maschinensteuerung. Darüber hinaus bietet die dezentrale Struktur eine erhöhte Ausfallsicherheit, da ein einzelner Ausfall einer Steuerungseinheit nicht die gesamte Maschine lahmlegt. Sowohl die zentrale als auch die dezentrale Steuerungsstruktur erfordern eine leistungsfähige Firmware, um die Steuerungsaufgaben zu erfüllen. Die Firmware ist eine spezielle Software, die in den Steuerungseinheiten läuft und die notwendigen Algorithmen und Funktionen für die Motion Control implementiert. Sie ermöglicht die Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung, die Interpretation von Steuersignalen und die Umsetzung in präzise Motorbewegungen. Die Firmware spielt eine entscheidende Rolle bei der Realisierung von Positioniergenauigkeit, Dynamik und Stabilität in Motion-Control-Anwendungen.

Insgesamt sind Elektronik und Firmware unverzichtbar für modernes Motion Control. Sie ermöglichen die präzise Steuerung von Motoren, die genaue Positionierung von Maschinen und die effiziente Kontrolle von Bewegungsabläufen. Ob zentrale oder dezentrale Steuerungsstrukturen eingesetzt werden, hängt von den Anforderungen der Anwendung und den Präferenzen des Systemdesigns ab. Beide Ansätze bieten ihre eigenen Vor- und Nachteile, aber sie basieren auf der Grundlage einer leistungsfähigen Elektronik und einer optimierten Firmware, die das Herzstück des modernen Motion Control bilden.

Antriebselektronik für zentrale Architekturen

In der zentralen Steuerungsstruktur ist die Motion Control Intelligenz in einem speziell für diese Aufgabe abgestellten Prozessor zusammengeführt, der alle Aufgaben wie Achskoordination (ggf. auch Interpolation), Berechnung des Bewegungsprofils und die eigentliche Positionsregelung übernimmt. Je nach Anordnung können auch der Geschwindigkeits- und der Stromregelkreis im Controller angesiedelt sein; die Sollwertvorgabe erfolgt in dieser Konstellation in der Regel als analoges +/-10V Signal oder als digitale PWM  oder Puls/Richtungs-Signal.

Sollwerte für Kommutierung

Einige Controller können auch die Kommutierung der Motoren übernehmen, was den Vorteil hat, dass der Geber nur noch an den Controller angeschlossen werden muss. Die Sollwertvorgabe erfolgt hier mittels zwei analogen +/-10V Signalen (UV-Kommutierungssollwert) oder mittels zwei digitalen PWM Signalen (digitaler UV-Kommutierungssollwert). Einige Controller können sogar die Halbleiterschalter direkt ansteuern, so dass der Leistungsteil nur noch aus den Halbleitern und einer Schutzbeschaltung besteht.

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Antriebselektronik für dezentrale Architekturen

In der dezentralen Steuerungsarchitektur wird die Intelligenz - die heute in den meisten Antrieben ohnehin vorhanden ist - genutzt, um die übergeordnete Steuerung von antriebsspezifischen Aufgaben zu entlasten; die Verstärker übernehmen selbständig die Aufgaben für die eigene Achse die Pfade zu berechnen etc. Für die Kommunikation kommen hier Bussysteme wie CANopen, Profibus, EtherCAT etc. zum Einsatz.

Die meisten digitalen Verstärker, die in der Regel z.B. für ein komfortables Setup mit entsprechender Intelligenz ausgestattet sind, haben heute neben der klassischen +/-10V-Schnittstelle auch häufig eine oder mehrere Busschnittstellen und finden sich deshalb in beiden Steuerungsarchitekturen.

Da jede Anwendung spezielle Forderungen stellt, führen wir eine Reihe von verschiedenen, jedoch komplementären Produktfamilien, um dem jeweiligen Einsatzfall gerecht zu werden.

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Funktionale Sicherheit

Die fuktionale Sicherheit fordert einen besonderen und genauen Prozeßablauf während des kompletten Entwicklungszyklus.

Es fängt mit Forderungsmanagement an, wobei alle Spezifikationsmerkmale erfasst und bis zum Projektende überwacht werden. Während der Projektentwicklung und -realisierung werden alle Entwurfs- und Umsetzungsschritte laufend überwacht (full traceability). Formale Kontrollschritte sichern eine hohe Qualität und Produktzuverlässlichkeit und helfen frühzeitig Probleme zu erkennen. Insbesondere sind die folgenden Schritte kritisch:

  • Identifikation der zur Betriebssicherheit erforderlichen Funktionen
  • Festlegung des SIL-Levels
  • Gefahren- und Fehleranalyse (FMEA/FMEDA/FMECA)
  • Formale Verifikation des SIL-Levels (MTBF/SFF)
  • Audit der Funktionssicherheit

Wir und unsere Partner unterstützen Kunden bei der Entwicklung von Motion Control Anwendungen für unterschiedliche Anwendungsgebiete. Es gelten jeweils verschiedene, aber verwandte Standards:

  • DO-178B/C (Avionik)
  • IEC 61508 sowie Ableitungen
  • ISO 26262 (Kfz.)
  • IEC 60601-1 (Medizin)
  • EN 5012x (Bahn)
  • IEC 62304 (Mediizingeräte)
  • MISRA-C (Kfz.)