Auswirkungen der Synchronisations-Unsicherheit
Bild 1: Beispielhafter Aufbau eines Bewegungssteuerungssystems mit mehreren Synchronisationsbereichen (Quelle: Analog Devices)
Bild 2: Die Auswirkung eines zeitlichen Verzugs auf die Positionsgenauigkeit (Quelle: Analog Devices)
Bild 3: Traditionelle (oben) und neue (unten) Motion-Control-Topologien (Quelle: Analog Devices)
Bild 4: Ein IO-Event-Scheduler verbindet die verschiedenen Sync-Bereiche miteinander (Quelle: Analog Devices)
In Mehrachsen-Servosystemen, wie Robotern oder Maschinen, hat der wechselnde zeitliche Versatz unmittelbare, messbare Auswirkungen auf die dreidimensionale Positioniergenauigkeit. Das verdeutlicht auch ein einfaches Bewegungsprofil (Bild 2), bei dem die Solldrehzahl des Motors (rote Kurve) angehoben und wieder reduziert wird. Kommt es im System zu Verzögerungen, hinkt die Ist-Drehzahl (blaue Kurve) hinter dem Sollwert her, was zu einem Positionsfehler Δθ führt. Die Auswirkungen einer konstanten Verzögerung lassen sich durch entsprechende Kompensation noch minimieren. Bei variablen Verzögerungen ist dies jedoch nicht möglich, zumal dann auch die Regelkreisverstärkung variabel ist, was die Abstimmung des Regelkreises erschwert.
Bei einem traditionellen Bewegungskonzept (Bild 3 oben) schickt ein Motion-Controller (meist eine SPS) Soll-Positionen (θ*) über ein Echtzeitnetzwerk an einen Motor-Controller, welcher aus drei verschachtelten Regelkreisen besteht. Der innere Regelkreis regelt das Drehmoment sowie den Strom (T/i), der mittlere die Drehzahl (ω) und der äußere die Position (θ). Bei dieser Topologie erfolgt die Synchronisation der Achsen durch den Austausch von Positions-Sollvorgaben zwischen Motion- und Motor-Controllern. Die Synchronisation der einzelnen Knoten mithilfe der Sollwertvorgaben ergibt meist akzeptable Performance-Resultate, auch wenn das Netzwerk und die IO verschiedenen Synchronisationsbereichen angehören.
Neuerdings geht der Trend dahin, die Regelkreise aus den Motor-Controllern auszulagern und in einen leistungsfähigen Motion-Controller auf der Master-Seite des Netzwerks zu übertragen (Bild 3 unten). Im Echtzeitnetzwerk werden dann Soll-Spannungen (v*) für den Motor-Controller sowie Ist-Werte (i, ω, θ) für den Motion-Controller übertragen. Ein Vorteil dieser Architektur ist die gute Skalierbarkeit: Achsen lassen sich nach Belieben hinzufügen oder entfernen, ohne dass die Verarbeitungsleistung des Motor-Controllers wichtig ist. Zudem ist eine höhere Genauigkeit möglich, da die Planung der Bewegungsbahn und die Bewegungssteuerung an einem zentralen Ort erfolgen. Auf der anderen Seite geht durch die Auslagerung der Regelungsalgorithmen aus dem Motor-Controller die enge Synchronisation von Codeausführung und IO verloren. Dies ist umso problematischer, je größer die Bandbreite des Regelkreises ist. Insbesondere der Drehmoment-Strom-Regelkreis ist hinsichtlich der Synchronisation höchst sensibel.