Nahtlose Mechatronik-Toolchain Von der Maschinensimulation bis zum Motorstromregler

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2 Nahtlose Mechatronik-Toolchain Von der Maschinensimulation bis zum Motorstromregler Jochen Klier AE-Specialists Manager 11/8/2010 2

3 Agenda Tools für den mechatronischen Systementwurf Soft- und Hardware-Konzepte zur Motorensteuerung Anwendungsbeispiel 3

4 Multidisziplinäre Anforderungen im Maschinenbau Mechanical Design & Simulation Logging, Database HMI Motors and Drives Networking Embedded System Design Machine Condition Monitoring Sensors and Signal Conditioning Machine Vision 4 Motion Control Design Discrete and Sequential Logic

5 Software-Framework für das Graphical System Design Datenfluss Textbasierte Programmierung/OOP Textbasierte Mathematik Simulation Zustandsgraph Programmierkonzepte Zielplattformen Desktop Real-Time FPGA Mikroprozessor/DSP Vision Mobile Touchpanel Hardware 5

6 NI-Hard- und Softwarekonzepte zur Maschinensteuerung Mechanical Design & Simulation Motors and Drives Embedded System Design 6 Motion Control Design

7 NI-Hard- und Softwarekonzepte zur Maschinensteuerung NI-LabVIEW LabVIEW SoftMotion LabVIEW RealTime LabVIEW FPGA Entwicklungswerkzeuge Zielplattformen Desktop PXI crio Embedded Motoren und Drives Stepper Servos NI-Drives 3rd Party 7

8 Was ist NI SoftMotion Offenes und weitgehend hardware-unabhängiges Software-Konzept zur Maschinensteuerung und -simulation LabVIEW-Modul für Motion Control Anwendungen Projektierung und Achskonfiguration im LabVIEW-Projektfenster Verschiedene High-Level Motion Control APIs (IEC , Express-VIs, Methoden- und Eigenschaftsknoten) Low-Level Bibliotheken zur Erstellung eigener Motion-Control-Lösungen mit spezifischen Anforderungen 8

9 SoftMotion Begriffsdefinitionen SoftMotion API: Funktionsbibliotheken zur Anwendungsprogrammierung (z. B. für Punkt-zu-Punkt Fahrten, Interpolierte Bewegungen, Referenzfahrten, elektronische Kurvenscheiben usw.) SoftMotion Engine: Integrierte Low-Level Motion Control Funktionen, die sowohl implizit (Black Box) als auch explizit genutzt und bei Bedarf durch eigene Implementierungen ersetzt werden können (z. B. Achs- Koordination,Trajektoriengenerator, und Spline-Generator) SoftMotion IP: Low-Level Bibliotheken zur Realisierung angepasster Motion-Control Implementierungen (z. B. Positions- und Stromregler, Spline Engine, Trajektoriengenerator, FPGA-IP für Encoderauswertungen, Kommutierungsalgorithmen für BLDC-Motoren usw.) 9

10 SoftMotion Projektierung und Inbetriebnahme NI CONFIDENTIAL 10 /motion

11 SoftMotion APIs Express VI API Konfigurationsbasierte High- Level-Programmierung Function Block API PLC Open, IEC Programmierung Property and Invoke Node API LabVIEW Datenfluss- Programmierung 11

12 NI-SoftMotion Simulation in LabVIEW LabVIEW Projekt Motion-Funktionen mit simulierten Achsen Mischung simulierter und realer Achsen auf Echtzeit-Targets VIs können zwischen Windows und Echtzeit-Targets ausgetauscht werden CompactRIO und NI Motion Hardware 12

13 NI-SoftMotion Simulation in LabVIEW Echtzeit- und Offline-Trajektoriengenerierung Nützlich für Kinematik-Berechnungen, Pfadplanung in der Robotik und vereinfachtes und beschleunigtes Testen Offline - Trajektorie 13

14 NI-SoftMotion Simulation mit SolidWorks LabVIEW Projekt CAD Modell CompactRIO und NI Motion Hardware 14

15 Beispiel 1: High Level Motion Keine LabVIEW RealTime ode LabVIEW FPGA Programmierung erforderlich NI-Unterstützung für EtherCAT AKD or NI 951x Drive Interface Module Herstellerunterstützung für Maxon (EPOS2), Copley (Xenus) und Elmo 15

16 Beispiel 2: Mid Level Motion LabVIEW RealTime-Programmierung (autarkes Steuerprogramm) NI-Unterstützung für EtherCAT AKD or NI 951x Drive Interface Module Herstellerunterstützung für Maxon (EPOS2), Copley (Xenus) und Elmo HMI 16

17 Beispiel 3: Low Level Motion LabVIEW RT und FPGA Programmierung crio 950x Drive Module; angepasste Hardware und Algorithmen 3rd Party Drive-Integration HMI 17

18 Anwendungsfälle Low-Level Integration Einbindung externer Drives über nahezu beliebige Schnittstellen Verarbeitung beliebiger Feedback-Signale (z. B. DMS, MEMS- Sensoren,...) Realisierung angepasster Reglerstrukturen für spezielle Regelaufgaben (z. B. stoßfreie Umschaltung zwischen Positions- und Kraftregelung) Integration zusätzlicher Sensorik in den Motor- Regelkreis (z. B. bei Mensch-Maschine- Interaktion oder im medizinischen Bereich) Prototyping für eigene Motion-Controller- Entwicklungen 18

19 Anwendungsbeispiel: Collimatorsteuerung für den großen Hadronenbeschleuniger (LHC) am CERN Ringumfang: 26, 7 km Energie des Partikelstrahls: 7 TeV Geschwindigkeit der Partikel: 99,99% c Betriebstemperatur: 1,9 K 19

20 Aufgaben und Funktion der Collimatoren vereinfachte Darstellung Positionierung Graffitabsorber 1 Teilchenstrahl Graffitabsorber 2 Positionierung Collimatoren absorbieren Streupartikel verhindern Oszillationen und Resonanzen des Strahls schützen den Beschleunigerring vor Schäden (Wert: ca. 2 Mrd.) reduzieren Rauschen bei den Auswertungen 20

21 Aufgaben und Funktion der Collimatoren realer Aufbau Collimatoren absorbieren Streupartikel verhindern Oszillationen und Resonanzen des Strahls schützen den Beschleunigerring vor Schäden (Wert: ca. 2 Mrd.) reduzieren Rauschen bei den Auswertungen 21

22 Collimatorsteuerung Anforderungen präzise Steuerung und Synchronisation von 108 Collimatoren (555 Schrittmotoren) Über mehrere Kilometer verteilte Anwendung Unabhängige messtechnische Überwachung der Collimatoren Umsetzung 120 PXI-Systeme mit LabVIEW Real-Time und FPGA Signalkonditionierung über crio Expansion Chassis Motorsteuerung mit NI-SoftMotion PXI-System crio Expansion Chassis Collimator 22

23 Ressourcen Machine Control Reference Design: paper/6105/en Mechatronik und Simulation: Motion Control: 23

24 Fragen? 24

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