antriebstechnik 9/2022

LINEARTECHNIK SMARTE

LINEARTECHNIK SMARTE AKTUATOREN ALLES UNTER KONTROLLE: CAN-BUS-ARCHITEKTUR FÜR LINEARE ANTRIEBSANWENDUNGEN Die neueste Generation elektrischer Aktuatoren, die eine Kommunikation über den CAN-Bus (Controller Area Network) unterstützt, macht moderne intelligente Steuerungen für lineare Antriebsanwendungen zugänglich. Die daraus gewonnenen Vorteile erstrecken sich von einer höheren Effizienz über geringere Lebenszykluskosten bis zu mehr Sicherheit und weniger Schmutzbelastung. Das Controller Area Network wurde ursprünglich entwickelt, um die Kosten und Komplexität der Kupferverkabelung in Automobilen mithilfe einer vereinfachten Bus-Architektur zu reduzieren. Im Anschluss suchte die Fertigungsindustrie nach Möglichkeiten, die Bus-Architektur auch für die Antriebssteuerung zu nutzen. Industrieanwendungen erfordern jedoch höhere Übertragungsraten, mehr Bandbreite sowie eine Integration der Steuerung in andere Anwendungen. Diese Anforderungen mündeten in der Entwicklung des CANopen-Protokolls. Bei CAN handelt es sich um ein High-Level-Kommunikationsprotokoll mit einer standardisierten Datentelegrammstruktur zum Datenaustausch zwischen mehreren Netzknoten unter der Anders Karlsson Product Line Specialist – Linear Actuators, Thomson Industies Inc, Kristianstad, Schweden Kontrolle eines elektronischen Steuergeräts (Electronic Control Unit – ECU). Jedes Datentelegramm an einem Aktuatormodul stellt einen Netzknoten dar, dessen Standardkennung die Priorität, den Dateninhalt und die Steuerungsquelle angibt. Auf diese Weise ist eine Plug&Play-Interaktion CAN-fähiger Geräte möglich, sofern sie sich im selben Netzwerk befinden und die Telegrammstruktur einhalten. Das ermöglicht hochgradig effiziente und kompakte Lösungen, die bislang ungekannte Möglichkeiten der Überwachung und erweiterten Steuerung eröffnet. Die Aktuatoren sind so programmiert, dass sie „dieselbe Sprache“ wie die ECU sprechen und somit eine Kommunikation über denselben Bus realisierbar ist. Daraus ergibt sich ein deutlicher Unterschied zu herkömmlichen elektronischen Architekturen, die für jede Funktion eine separate ECU benötigen. Darüber hinaus ermöglicht dies deutlich komplexere Regelstrategien, beispielsweise um denselben Aktuator in verschiedenen Anwendungen zu nutzen. 30 antriebstechnik 2022/09 www.antriebstechnik.de

LINEARTECHNIK Typisches CAN-Bus-Netzwerk, bestehend aus vier Aktuatoren mit eingebauter CAN-Buskonformer Intelligenz INTEGRIERTE POSITIONSSTEUERUNG Ein Aktuator mit eingebettetem CAN-Bus kann Telegramme zur Positionssteuerung übertragen. Die aktuelle Hubstellung des Aktuators zwischen 0,0 mm und voller Hublänge wird über ein 14-Bit-Signal ausgegeben, dessen Genauigkeit von der Hublänge und den mechanischen Toleranzen des jeweiligen Modells bestimmt wird. Die Genauigkeit des Signals selbst könnte z. B. 0,1 mm/Bit betragen, was für das Gesamtsystem eine Positioniergenauigkeit von mindestens ±0,5 mm ergeben würde – wie erwähnt, abhängig von Toleranzen in der Baugruppe aus Getriebe, Kugelgewindemutter und Spindel. NIEDERSTROMSCHALTEN Niederstromschalten gehört zum Standard des CAN-Bus-Protokolls. Damit kann der Aktuator so programmiert werden, dass zum Ausfahren, Einfahren und sanften Anhalten spezielle Niederstrom-Elektroniksignale anstelle größerer Ströme verwendet werden. Dies bietet erhöhte Sicherheit durch reduzierte Stromschlaggefahr und vereinfacht das Design, indem Steuerkomponenten mit weniger Leistung genutzt werden können. Auch der Sanftanlauf erlaubt die Nutzung kleinerer Netzteile und senkt somit ebenfalls die Belastung auf den Batterien und Ladeeinheiten in den Maschinen. Außerdem bietet Niederstromschalten die Möglichkeit eines Standard-Steuereinschaltstroms, der bis zu 150 Millisekunden lang das Dreifache der Volllast-Stromstärke beträgt. Dadurch können kostspielige Relais eingespart werden. Ein weiterer Vorteil des Niederstromschaltens ist das dynamische Bremsverhalten. Sobald die Stromversorgung zu einem Aktuator unterbrochen wird, kann es je nach Einbaulage des Aktuators zu einem Nachlaufen von 5 bis 10 mm kommen, bis der vollkommene Stillstand erreicht ist. Elektro-Aktuatoren erlauben die Implementierung einer sogenannten „dynamischen Bremse“. Diese Funktion kann das Nachlaufen auf ca. 0,5 mm verkürzen, indem ein Kurzschluss zwischen den Motorleitungen erzwungen wird. Auf diese Weise lassen sich Wiederhol- und Positionsgenauigkeit erheblich verbessern. PROGRAMMIERBARKEIT Eine derart erweiterte Positionssteuerung und -schaltung erlaubt die Programmierung des Antriebs zur Ausführung beliebig vieler Bewegungsprofile und benutzerdefinierter Positionierungsmuster. Mit dem CAN-Bus erhalten Systementwickler eine erheblich höhere Flexibilität zur Programmierung der Sensoren und internen Elektronik, um die Bewegungen zwischen mehreren Aktuatoren zu synchronisieren. Sie können beispielsweise programmieren, dass sich die Verstellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Last verändert. Neben der Rückgabe der Positionsdaten in Echtzeit liefern CAN-Bus-fähige Aktuatoren kontinuierlich Überwachungsdaten wie Temperatur, Stromstärke, Geschwindigkeit, Spannung und weitere Variablen, die eine erweiterte Diagnose und Fehlerbehandlung ermöglichen. Die Rückmeldungen können in einer Ge- schwindigkeit von zehnmal pro Sekunde einlaufen, während sich der Aktuator kontinuierlich selbst überwacht. Erkennt er ein Problem, beispielsweise die Überschreitung eines Temperaturgrenzwerts, beendet der Aktuator seine einprogrammierte Bewegung, schaltet sich ab und übermittelt eine Fehlerkennung an den Computer: alles in Bruchteilen einer Sekunde. Die Variablen Stromstärke, Spannung, Temperatur und Last können durch CAN-Bus in nie dagewesener Effizienz überwacht werden. Dieser große Funktionsumfang lässt sich nun direkt innerhalb des Aktuators einbinden, ist unmittelbar verfügbar und über das Netzwerk zu Zwecken der externen Störungssuche jederzeit abrufbar. Die smarten Elektro-Aktuatoren von Thomson lassen sich beispielsweise bei einem auftretenden Problem schnell durch einfaches Umstecken austauschen. Darüber hinaus ist eine Fernüberwachung des Systemzustands realisierbar. Bilder: Thomson www.thomsonlinear.com DIE IDEE „In vielerlei Hinsicht wird die optimale Leistungsfähigkeit eines Aktuators durch die Art der Verständigung zwischen Anwender und Gerät bestimmt. Die Kombination aus CAN-Bus-kompatibler Sprache und hochmoderner, eingebetteter Elektronik verschafft den Anwendern mehr Flexibilität für Befehle an ihren Aktuator. Ob Entwickler die J1939-Programmierung für mobile Arbeitsmaschinen oder CANopen in der Industrieautomation verwenden – das Ergebnis zeigt sich potenziell in mehr Flexibilität bei der Steuerung und Konstruktion, kürzeren Entwicklungszyklen, einer effizienteren Installation und nicht zuletzt in insgesamt niedrigeren Betriebskosten.“ Anders Karlsson, Product Line Specialist – Linear Actuators, Thomson Industries, Kristianstad www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/09 31