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EPOS4 Micro——真·微型控制器!

EPOS4 Micro——真·微型控制器!

机器人、分析和处理系统都需要将大量高能效的驱动系统、高动态控制器和联网总线系统以紧凑方式整合。"EPOS4 Micro"电机控制器基于现有的工业解决方案,使用CANopen或EtherCAT实现模块化的多轴系统,而无需高昂的开发成本。

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图1:操作机器人是多轴系统的典型应用

 

需求:紧凑型多轴系统概念

手术机器人、医疗和实验室技术中的分析设备,以及放射治疗中的多叶准直器,尤其依赖于小型化的驱动系统。这些系统极为高效,需要以高密度的方式进行安装。maxon DC 和 BLDC 电机系列与减速器、集成编码器(用于测量位置和速度)组合而成的驱动系统,是此类应用的理想解决方案。这样的"驱动包"通常还包括电机控制器,理想情况下能够直接集成在设备里靠近电机和传感器的位置。

其中,一个卓越的主控制器能够协调各个驱动装置的移动、与用户进行信息交换(>用户界面)、数据处理以及与 ERP 软件联网。根据不同的应用方向,主站可以是PLC、可编程多轴控制器(例如zub MasterMACS)、PC或基于微控制器的其他解决方案。

 

聚焦:微型电机控制器

电机控制器最重要的特性是高能效和高功率密度,使得所有组件能以节省空间的方式"打包"集成。同样重要的是各种传感器和执行器的连接,以及一个快速总线接口。对于将标准解决方案进行整合、以达到省空间的目的来说,连接技术是关键,但有时也是难关。因此在硬件层面上,必须在功能和连接技术之间找到一个实用的接口。"EPOS4 Micro"模块提供广泛的高标准化功能、现代控制器算法、紧凑型功率级以及 CANopen 或 EtherCAT 总线接口,且其尺寸仅有邮票大小(32 x 22 mm)。设备制造商可以将插件模块集成到自己的电子元件或具有所需轴数的主板中,以结合设备特有的连接技术和附加功能。必要时,maxon 还可作为工程合作者参与此类电子板的开发。"EPOS4 Micro"是批量生产的工业组件("COTS"= 现成商用),最大限度地减少了开发的风险和成本。每个微型模块都包含完整的硬件和软件,用于激活和控制有刷、无刷电机及总线通讯。这使得优化成本后的多轴系统在生产或维修时具有最紧凑的外观、简化的组装方式和全部系统组件的接线。

 

总线接口:整个系统和 IIoT 的主干

每个驱动单元和主控制器之间通过总线接口交换数据以协调各轴间的运动,并为维护和基于IIoT(=工业物联网)开发的系统提供信息。机器人和设备/系统设计中常见的现场总线系统是CANopen和EtherCAT。EtherCAT 具有高传输速率,因此在复杂的多轴应用中具有特殊优势。但是,当作为单轴连接使用时,它的缺点在于需要额外硬件及使用大型标准化 RJ45 端子连接器。虽然控制器尺寸和端子技术在机柜中算不上问题,但却能成为EtherCAT 的"致命准则",尤其是在手持设备和机器人应用方面。对于“EPOS4 Micro EtherCAT”而言,在其开发阶段就已明确需求,使用EtherCAT空间紧凑整合方式及特有连接技术为多轴系统应用提供完美解决方案。

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图2:与 RJ45 外部连接。三轴板上的电容耦合(内部)。

 

 “Micro(微型)”且EtherCAT

以 EtherCAT 为例,电感变送器(下文中为"磁性元件")用于消除由于电势差而产生的直流信号元件,抑制干扰,并确保信号完整性。磁性元件可以是单独的组件,也可以集成在 RJ45 连接器中。但是,磁性元件和 RJ 连接器都需要印刷电路板上的很大空间。如果必须为每个单独的轴控制器和 EtherCAT 网络节点集成它们,它们也会提高成本。然而对于那些在通用主板上具有多个模块化电机控制器的应用来说,EtherCAT 通过磁性元件连接并非绝对必要,存在通过电容耦合(即电容器)在内部(无磁性元件)连接单个控制器的 EtherCAT 端口的可能性。这样做的前提是 EtherCAT 接口之间的导线短(通常10 厘米以内),以及各个控制器的逻辑电源间没有电势差。对于相应的电子元件设计而言,这样做能够确保其容纳多个"EPOS4 Micro"模块。在主板中,单个"EPOS4 Micro"电机控制器之间有可能建立经济高效且节省空间的电容式EtherCAT 网络连接,意味着带磁性元件的 RJ 连接器现在仅作为外部的 EtherCAT 连接使用。

"EPOS4 Micro EtherCAT"支持电容式内部EtherCAT连接,以及通过磁性技术进行外部连接。在此基础上,可以采用非常紧凑的多轴主板和直插式"EPOS4 Micro"模块,同时降低成本和尺寸。根据这一原理,maxon 提供极其紧凑的多轴控制器:安装表面为 90 x 56 mm(近似名片大小),同时配备三 组"EPOS4 Micro 24/5 EtherCAT"模块。该产品作为使用"EPOS4 Micro"设计多轴系统的出色方案之一,在其紧凑的外观、高性能和高输出功率方面无与伦比。

 

 “Micro(微型)”且易于集成

使用"EPOS4 Micro",数据和命令通过 CANopen 或 EtherCAT(取决于所选产品类型)传输并遵循 CiA®402 协议("驱动系统和运动控制设备配置文件"),同时支持标准化操作模式"PPM = 轮廓位置模式","PVM = 轮廓速度模式","HM = 回零模式","CSP = 循环同步位置","CSV = 循环同步速度"和"CST = 循环同步扭矩"。作为标准化的运动控制从站(Motion Control Slave),"EPOS4 Micro"(以及所有EPOS4系列)可以非常轻松地集成到不同 PLC 制造商的系统管理器工具和运动库中。

对于那些不需要在毫秒周期内进行快速、循环数据交换的应用程序,基于Windows和Linux 的系统环境(例如 PC 或Raspberry Pi)也可以作为更高级别的系统控制器 (=主站)使用。maxon 的"EPOS 命令库"是一个特定的运动控制功能库,能够加速主站方面的软件开发,同时也支持用于数据交换的 USB、RS232 和 CAN 接口。

 

 “Micro(微型)”且适合IIoT

EPOS4 在机器或传动系 IIoT(工业物联网)环境中是级别最低的信息提供者。通过总线系统,EPOS4 可根据要求提供实时数据,如电机电流和扭矩、转速、位置值、误差状态、控制器和电机的温度及负载值,传感器和执行器状态等。不同数据的高带宽以及快速循环数据交换的可能性是流程和生产监控的 IIoT 基础,也可用于预防性维护优化。

 

 “Micro(微型)”但多功能

在功能、操作和软件方面,"EPOS4 Micro"模块与市场上已建立的 EPOS4 系列差不多。由于元件集成的密度大幅提高,仅少数功能和个别输入/输出端被省略,但并没有放过任何有关控制器功能和性能的环节。与 EPOS4 产品系列其他型号同样,"EPOS4 Micro"具有 25 kHz 电流控制频率和 2.5 kHz 速度/位置控制频率。现代控制器概念(如磁场导向控制(FOC)、前馈、观测器控制及双闭环控制器)同样意味着"EPOS4 Micro"可以提供最大的电机性能和运动精度,可针对不同的应用要求、驱动电机和传感器进行优化。双闭环控制器在电机轴上具有增量编码器,在输出轴上具有 SSI 绝对编码器,即使在传动系统具有一定内部弹性或间隙的情况下,也可以对负载端进行精确的相关定位。"EPOS Studio"软件具有不同向导,以便更好地支持用户进行调试和参数调整。

 

 “Micro(微型)”但通用

"EPOS4 Micro"支持带霍尔传感器、数字增量编码器和 SSI 绝对编码器的有刷或无刷直流电机。如果电机轴上已有完成校准的 SSI 绝对编码器(通常包含于 maxon 电机组合),可以运行不带霍尔传感器的 EC 电机。

总共5 个数字输入、3 个数字输出、2 个模拟输入 (+/-10V) 和 1 个模拟输出 (+/-4V)允许连接和评估涉及多轴的传感器,如限位开关和参考点开关。作为总线系统的替代方案,也可以通过模拟信号控制扭矩或速度控制器(闭环)。

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图3:EPOS4 Micro与 U盘尺寸对比

 

 “Micro(微型)”,但功能强大

"EPOS Micro"提供高功率密度——每个cm2安装表面的峰值性能超过50 W,无需散热器或主动冷却。具体而言,对于大小只有 32 x 22 mm("EPOS 24/5 Micro CAN")和 7 mm 厚度的控制器,要使得其表面满足相当的功率级,意味着在24V电机电压和 5A 连续电流,以及 15A 峰值电流情况下工作10 秒以上(相当于 360W)。上述性能均适用于 -30°C 至 45°C 的环境温度,无需额外冷却。随着输出电流的相对下降,环境温度可能会超过 60°C,但控制器仍可正常运行。由传感器监控该功率级的温度,同时通过 I2t 监控防止电机过载。

 

 “Micro(微型)”,即使在调试时

现有的数字或模拟量的输入和输出可自由配置,并且与 CiA® 402 (CoE) 位置控制器的众多功能和操作模式完美匹配。EPOS Studio 调试软件的启动向导将及其直观地引导用户进行基本配置,并对所有控制器参数进行自动微调,甚至可以应对复杂的双闭环控制器结构。EPOS Studio 的集成数据记录器能够用来记录和评估控制器行为和相关过程数据。对于没有主板设计的初始测试环境,可选配即用式评估板。该选项同时包含各类附件和产品详述文件。

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图4:EPOS Studio:双环路参数微调功能

 

不仅仅是产品:作为系统合作伙伴的maxon

凭借产品支持及各种服务,maxon 所提供的不仅仅是目录上的标准产品。特别是在集成一个或多个"EPOS Micro"产品期间,在尺寸、连接技术或主板附加功能方面可能会出现非常具体的应用要求。主板电子设计的具体信息包含在"EPOS4 Micro"的"硬件参考"手册中,作为应用程序端系统开发人员的指南。

如果客户没有资源进行此类开发,maxon 可提供定制电子板的开发和生产等补充服务。在这里,maxon 不仅是产品供应商,同时也在驱动技术领域中,作为一名工程合作者承担并且胜任系统化的工作。尽早与maxon展开信息交流和集思广益,是找到技术和商业方向上优化解决方案的第一步。

 

审核编辑(
王静
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