t - ETH PES - ETH Zürich

Vorlesung Mechatronik 2013 

ETH Zürich 

Lineare Bewegungen in der Mechatronik 

Linearmotoren und deren Systemeinbindung 

Dr.-Ing. Ronald Rohner 

Teil 1 

©Ronald Rohner 2013 2013 Vorlesung_Mechatronik_LMTeil1-V3.36.ppt 1 

ETH Zürich Vorlesung_Mechatronik_LMTeil1-V2.5.ppt Ronald Rohner 1

Aufbau der Vorlesung 

1. Teil der Vorlesung 

Beschreibung und Messung einer (linearen) Bewegung 

- Sensoren für die Wegmessung 

- Kinematik 

- Kinetik 

- Bewegungsprofile 

Beschreibung verkoppelter Bewegungen in Maschinen 

- Darstellungsmethoden, Terminologie 

Steuerungskonzepte für verkoppelte Bewegungen in der Mechatronik 

- Steuerungskonzepte bezüglich der Sollwertvorgabe 

- Feldbus und Realtime Ethernet 

2. Teil der Vorlesung 

Lineare Aktuatoren 

- Elektromagnet als Antriebselement 

- Funktionsweise eines Linear-Schrittmotors 

- Permanent erregter Synchron-Linearmotor 



Anwendungen 

Abstapeln mit Linearmotor 

Abtrennen mit Linearmotor 

‘Gefühlvolles’ Stempeln mit Linearmotor 

XY-Bewegung mit Linearmotoren 



Anwendungen 

Klassische XYZ-Topologie 

(Kartesische Koordinaten) 

Hexapod Topologie 

Die Bewegung eines Motores hat Auswirkung in 

genau einer Koordinate des kartesischen 

Koordinatensystems 



Kinematik der linearen Bewegung 

Kartesisches Koordinatensystem 

Ortsvektor : 

r(t) = [x,y,z] = x e x + y e y + z e z 

z 

. . . . . . . 

v(t) = r(t) := x e x + y e y + z e z + xe x + y e y + z e z 

r(t) 

x 

y 

Annahmen / Vereinfachungen 

. . . 

Raumfestes Koordinatensystem: e x = e y = e z = 0 

Bewegung entlang einer Achse: y(t) = z (t) = 0 

Anfangswerte (x 0 , v o ) = 0 

Weg s: r(t) := x(t) = ½ a*t 2 




Klassische xyz-Anordnung einer Handlingeinrichtung 

Jede Linearbewegung kann 

antriebstechnisch für sich alleine 

analysiert und optimiert werden. 

In der Anwendung selbst koordiniert 

eine Achssteuerung die einzelnen 

Bewegungen. 

x 

z 

Man merke: 

‚Maschine schneller machen‘ 

Weg s: r(t) := x(t) = ½ a*t 2 

Es besteht ein quadratischer Zusammenhang zwischen Zeit und 

Beschleunigung ‚doppelt so schnell‘ = ‚halbe Zeit‘ vierfache 

Beschleunigung 

y 




Geschwindigkeit 

Position 

Linearmotorsystem 

“Controller” 

P 

c 

Aktuator 

Positionserfassung 

!! 

Soll-Position 

+ 

- 

I 

D 

c 

c 

+ 

c f 

1 

Current 

m s +m Load 

F v s:= x(t):= ½ a*t 2 

m s Masse Motor 

m Load Masse Last 

a 

Ist-Position 



Sensoren für die lineare Positionserfassung 

- Physikalische Möglichkeiten (Optisch, Induktiv, kapazitiv, ohmsch,Ultraschall, .. siehe Teil Sensorik 

Anforderung an einen Positionssensor für Linearmotoren: 

- lange Hübe ( cm bis xx m) 

- hohe Dynamik 

- kein Verschleiss (langlebig) 

- hohe Genauigkeiten 

- Verschmutzungsunempfindlich (je nach Anwendung) 

Anwendung auf Werkzeugmaschine 

Sensorkopf 

Massstab mit Weginformationen 



Sensoren für die lineare Positionsmessung 

Weginformation magnetisch gespeichert auf 

selbstklebendem Band 

Bild: Firma SIKO 

NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS 

Bild: Firma Heidenain 

Weginformation optisch gespeichert auf 

selbstklebendem Band oder Glasmassstab 



Sensoren für die lineare Positionsmessung 

Magnetband 

Sensorkopf 

Linearmotor 



Inkrementalauswertung linearer Sensoren 

Z.Bsp Hallsensoren ( 2 Stück um 90° bzw ¼ Periode versetzt) 

sin 

N S N S N .... 

Periode 

cos 

Sinus- und Cosinus-Signal vom Magnetband 

Magnetische Periode: 20 mm .....20 um 

Optische Signalperiode ..... 0.128 um 

A 

B 

Digitalisierung Sinus- und Cosinus-Signal 

Vierfachauswertung: jede Flanke ergibt einen Puls 

4x höhere Auflösung ... Pulse Zählen 




Richtungserkennung mittels Flanken und Level-Auswertung 

A 

B 

A & High B pos Richtung 

A 

B 

A & Low B neg Richtung 




Positionsmessung aufgrund der Inkremente und evtl. der Sin/Cos Auswertung 

A sin( ) 

B cos( ) 

 

 

Sinus/Cosinus Auswertung innerhalb eines Quadranten 

A():= A * sin() 

B():= B * cos( ) 

mit A=B 

:= Arctan( A() / B() ) 

= Position innerhalb eines Quadranten 

A 

B 

Richtungserkennung mittels Flankenauswertung 

Z 

Inkremente bzw. Pulse zählen Position auf ¼ Periodenlänge 

Initialposition muss bekannt sein 

Z-Spur 





Position 


“Steuerung” 

Aktuator 

P 

c 

Soll-Position 

+ 

- 

I 

D 

c 

c 

+ 

c f 

F 

1 

Current 

m s +m Load 



a 

v 

Ist-Position 

s:= x(t):= ½ a*t 2 




‚Kurzhubige Bewegungen‘ 

‚Langhubige Bewegungen‘ 

x(t) = ½ a*t 2 für v = vmax 

Bsp: a:=300m/s 2 

v max := 4 m/s 

t g := 13 ms 

s(t g ):=25 mm 





Position 

Kinetik: Bewegung und Kräfte 

“Steuerung” 

Aktuator 

P 

c 

Soll-Position 

+ 

- 

I 

D 

c 

c 

+ 

c f 

F 

1 

Current 

m s +m Load 



a 

v 

Ist-Position 

a:= F/m 

s:= x(t):= ½ a*t 2 



Kinetik: Bewegung und Kräfte 

x(t) 

Newtonsches Bewegungsgesetz 

v(t) 

t 

a(t) 

t 

F:= Masse * Beschleunigung = m * a [N] 

Erforderliche Antriebskraft F 

t 

Bei dynamischen horizontalen Stellbewegungen 

sind die Trägheitskräfte meist die bedeutensten 

Kräfte. 

F(t) 

F:= m * a 

t 

Je schneller eine Applikation läuft, deste höher 

werden die notwendigen Beschleunigungen und 

damit proportional auch die Trägheitskräfte. 



F/V-Kennlinie von Motoren 

F max (M max im rotativen Fall) ist bei realen Motoren abhängig von der Geschwindigkeit (bzw. Drehzahl) 

F / M 

Typ Kennlinie eines Motors mit 

Umrichteransteuerung 

Typ Kennlinie eines Motors, der direkt 

an einer festen Spannungsquelle 

betrieben wird. 

v / f 

Bei einem Elektromotor nimmt die Kraft (Moment)des 

Motors in Abhängigkeit mit der Geschwindigkeit 

(Drehzahl) ab. 

Die Abhängigkeit zwischen Drehzahl und ‚Kraft‘ 

(Antriebsmoment) kennt jeder Automobilist. Dabei ist 

die Kennlinie von Verbrennungsmotoren weitaus 

komplexer als die von Elektromotoren. 




Drehmomentkurve Porsche Cayenne Hybrid 

Elektro- und Verbrennungsmotor ergänzen sich aus Sicht der Drehmomentkurve optimal 




Bsp: Gleichstrommotor mit Permanentmagneterregung 

U L :=L A * dI A /dt 

U RA :=R A *I A 

I A 

U A :=U LA + U RA + U ind 

U A :=L A * dI A /dt + R A *I A + n*K E 

U A 

U ind := c * * n 

U ind := n * K E 

(Induktionsgesetz) 

M := K M * I A 

(Lorenzkraft) 

I A 


Stationärer Fall 

U A := U RA + U ind 

U A := R A *I A + n *K E 

U A 

U ind := n * K E 


M := K M * I A 

(Lorenzkraft) 

U A 

Ia 

K E 

K M 

 

C 

Motorspannung (Ankerspannung) 

Motorstrom (Ankerstrom 

Drehzahlkonstante 

Drehmomentkonstante 

Magnetischer Fluss 

Motorkonstante 




I A 


Stationärer Fall 

U A := R A *I A +n*K E 

U A 

U ind := n*K E 


M := K M * I A 

(Lorenzkraft) 

n:= (U A -(R A *I A )) / K E 

M := K M * I A 

Leerlauf*: 

Ia 0 A n 0 := (U A -(R A *0 )) / K E = U A / K E 

Stillstand: n:=0 U A := R A *I AH + K E * 0 I AH := U A /R A 

*Annahme: 

•Keine Reibungsverluste 

•Keine Eisenverluste etc. 

M H := (K M * I AH ) = K M * (U A /R A ) 

F / M 

M H 

n 0 

Kennlinie eines Motors 

mit Umrichteransteuerung 

(M := K M * I A ) 

Kennlinie eines Motors, der direkt an einer 

festen Spannungsquelle betrieben wird. 

M H 

n 0 

Haltemoment (Stillstandskraft) 

Leerlaufdrehzahl (Leerlaufgeschwindigkeit) 

v / n 



Auslegungsprogramme 

x(t) 

x(t) := ½ a*t 2 für v =v max 

v(t) 

v(t) := a*t

Auslegungsprogramme 

Die blaue Linie bezeichnet die maximal 

mögliche Kraft, die der Linearmotor 

bei der entsprechenden Geschwindigkeit 

erzeugen kann: 

F max := f(v) 



Bewegungsprofile 

Beispiel einer klassischen Hin- und Her-Bewegung 

x(t) 

v(t) 

a(t) 

? 

t 

t 

t 

stroke 

x 

Welche Auswirkungen haben die verschiedenen Parameter ? 

Wie soll eine Bewegung abgefahren werden, um möglichs optimale Voraussetzungen zu generieren? 




Fall a: 

Ziel: Verschiebungszeit := 0 s 

unendlich hohe a und v Werte 

irrealer Fall ‚Raumschiff Enterprise‘ 

Fall b: 

Ziel: Konstante Verschiebungsgeschwindigkeit 

unendlich hohe a-Werte 

Linearmotoren können zwar keine unendlich hohen 

Beschleunigungen erzeugen, sind aber dennoch so dynamisch, dass die a- 

Werte in der Praxis beschränkt werden müssen (Erschütterungen, 

Belastung der Konstruktion). 




Fall c: 

Ziel: Konstante Beschleunigung 

mit v max Beschränkung 

‚Trapezförmige Bewegung‘ 

‚Rampenfunktion‘ bez. Geschwindigkeit 

-Ruckartige Bewegung 

(Ableitung von a unendlich gross Ruck 

mechanische Belastung) 

. 

a 

Fall d: 

Ziel: Ruckbegrenzte Bewegung 

‚minimal jerk‘ 

- Lineare Zunahme der Beschleunigung 

- Ableitung von a ist begrenzt (Ruckbegrenzt) 

geringe mechanische Belastung 

‚extrem sanfte Bewegung‘ 

Dieses Bewegungsprofil benötigt eine konstante mit der Geschwindigkeit 

zunehmende Beschleunigung (ungünstig für Elektromotoren, da diese eine 

mit zunehmender Geschwindigkeit abfallende Kraftkennlinie besitzen). 




Fall e: 

Ziel: „Kurve für die allg. Praxis“: Sinuskurve 

- sinusförmiger Verlauf 

Bewegungsprofil benötigt die grösste 

Beschleunigung bei v=0 m/s und ist so an die 

Kraft-Geschwindigkeitskennlinie von Elektromotoren 

angepasst. 




Je nach Anwendung kann es sinnvoll sein, jede Teilbewegung mit einem anderen Bewegungsprofil 

oder zumindest mit unterschiedlichen Maximalwerten für v und a zu programmieren. 

Bsp.: - ruckartige Beschleunigung, wenn kein kein Produkt verschoben wird 

- ruckbegrenzte Bewegung, wenn Produkt verschoben wird 

Hinbewegung ohne Produkt 

‚sinusförmig‘ 

Sanfter Rückbewegung mit Produkt 

‚minimal jerk‘ 

x 

Ebenfalls zu beachten: Je höher die Beschleunigungen sind, desto grössere Gegenkräfte entstehen 

und müssen durch die Maschinenkonstruktion aufgefangen werden. 

Insbesondere können ‚Rucke‘ die Maschinenkonstruktion stark belasten. 



m 

Trockene Reibung 

Trockene Reibung erhöht den Kraftaufwand während der Bewegungsphase. Insbesondere muss 

die Reibung auch während einer etwaigen konstanten Geschwindigkeitsphase überwunden 

werden. Reibung führt daher insbesondere zu höheren kontinuierlichen Kräften. 

Trockene Reibung 

Reibung zwischen festen Stoffen 

Die trockene Reibung ist unabhängig von der Geschwindigkeit 

F Rt = const = * F N Reibungsbeiwert 

F N Normalkraft 

m 

F N 

 

F Rt = * F N 

F Rt = * F N 

F Rt = * F N 

F Rt 

= * m*g 

F Rt 

= * m*g * cos 

F Rt = * 0 = 0 



Viskose und turbulente Reibung 

Viskose Reibung 

Reibung ‚in einer Flüssigkeit‘ 

Die viskose Reibung ist proportional zur Geschwindigkeit 

F Rv ~ v 

‚rühren‘ 

‚eintauchen‘ 

‚unter Wasser‘ 

Beispiel für viskose Reibung: 

Magnetischer Läufer eines Linearmotors wird durch ein Loch in einer Metallplatte geführt 

Wirbelstrombremse konstruiert (Magnete zu nahe an Metallen induzierte Spannung Kreisströme) 

Magnete innerhalb des Läufers 

Wirbelströme Bremseffekt, der mit v zunimmt 

Turbulente Reibung 

F Rv ~ v 2 



Haftreibung 

F 

m 

F RHmax 

Tritt zusammen mit der 

trockenen Reibung auf 

t 

F RH

Prozesskräfte 

Prozesskräfte treten meist während einer bestimmten zeitlichen und oder wegabhängigen Phase der 

Bewegung auf. Häufigste Varianten sind: 

s 

F 

Andruckkräfte 

- Etikettieren 

- Stempeln 

- Bedrucken 

Einpresskräfte 

( Einfügen bwz. Zusammenfügen 

von Teilen) 

Federkräfte 

( Prüfen von Schaltern) 

s 

Moderne Auslegungsprogramme ermöglichen es, dass jeder Bewegungsphase die auftretenden 

Prozesskräfte hinterlegt werden. Damit wird eine exakte Simulation der Anwendung ermöglicht. 



Gewichtskraftkompensation 

F:= m * a F g := m * g 

Gewichtskräfte beeinflussen das dynamische Verhalten in vertikalen Anwendungen 

richtungsabhängig. 

Antriebstechnisch von Bedeutung ist insbesondere, dass die Gewichtskraft eine konstante Belastung 

auch im Stillstand auf den Antrieb ausübt, sofern der Antrieb über keine Bremseinrichtung oder 

Selbshemmung verfügt. 

Verschiedene Verfahren und Methoden, um mit der Gewichtskraft umzugehen. 

1 kg 

F g = 9.8 N 

Kompensation der Gewichtskraft 

m 

a) Kompensation durch Gegengewicht 

F dyn := m * a = (m + m g *) * a Doppelte bewegte Masse 

Seil ~ Feder 

mechanische Annordnung 

m g 




b) Kompensation durch Feder 

- Feder kompensiert wegabhängig 

- Regelungstechnisch ungern gesehen (schwingungsfähiges Gebilde) 

-Annordnung, Platzbedarf 

Im allgemeinen nur für kurze Hübe einsetzbar 

F 

m 

m 

s 

c) Kompensation mit Pneumatikzylinder 

m 

- wegunabhängig 

- geringe Zusatzmasse 

- Reibung 

- Eingeschränkte Dynamik 

- Druckluftversorgung 

A 

Prinzip 

F:= p * A 

P:=5 bar const Druck 




MagSpring® (magnetic spring) 

® 

Das Prinzip beruht auf der magnetischen Anziehung und einer speziellen 

Flussführung zwischen bewegtem Läufer und feststehendem 

Statorelement. Da es sich um ein rein passives Element handelt, bleibt die 

von MagSpring erzeugte Kraft auch bei ausgeschalteter Maschine erhalten. 

• Konstanter Kraftverlauf 

• Geringe Zusatzmasse ( prädestiniert für hohe Dynamik) 

• rein passives Element Sicherheitsfunktionen 

Mechanische Feder 

MagSpring 

Kraft 

Kraft 

m 

Weg 

Weg 



Einfluss von Reibung und Gewichtskraft und Zeit 

• Horizontal (1. Segment 245 ms (a:= 10m/s2)) 

• Lastmasse 500 g 

• Keine Reibung 




• Horizontal ( 1. Segment 122 ms ( a:= 40m/s2)) 


• Keine Reibung 




• Horizontal (1. Segment 122 ms) 


• Reibung 20 N 




• Horizontal ( 1. Segment 122 ms) 






• Verikal Horizontal ( 1. Segment 122 ms) 






• Vertikal ( 1. Segment 122 ms) 

• Lastausgleich mit 30 N MagSpring 





Verkoppelte Bewegungen in Maschinen 

In einer Maschine müssen i.d.R. mehrere Bewegungen gleichzeitig bzw. in Abhängigkeit voneinander 

ausgeführt werden. 

Darstellungmethode 

technische Realisierung 



Steuerung zyklischer Abläufe mittels Nockenschaltwerk 

Mechanisches Nockenschaltwerk 

2 

Nocken 

Scheiben mit Nocken (Nockenscheibe) wird z.B. von 

einem Wasserrad angetrieben und löst einen Hammerschlag aus. 

1 

Hammerbewegung 

Die Lage der Nocken auf dem Scheibenumfang steuert die 

Auslösung des Hammerschlages in Abhängigkeit von der 

Drehbewegung. 

3 

Drehende Scheibe 

Steuerung von zyklischen Bewegungsabläufen, wobei eine Hauptwelle, 

deren Winkelstellung in Maschinengrad gemessen wird, den 

Zyklus vorgibt. 

Nocken 

1 2 3 1 2 3 1 2 3 

360° 720° 

Stellung der 

Scheibe in ° 




Mechanisches Nockenschaltwerk 

Nockenscheiben 

Scheibe 1 

(Motor 1) 

1 2 3 

Gemeinsame Welle 

Scheibe 2 

(Pumpe ) 

360° 720° 

Stellung der 

Scheibe in ° 

Bsp.: Musikdose 

Scheibe 3 

(Ventil) 

360° 720° 

Stellung der 

Scheibe in ° 

Zylinder mit Nocken 

360° 720° 

Stellung der 

Scheibe in ° 

Nocken betätigen elektrische Schalter, die Heizungen, 

Licht, Ventile, Bewegungen etc. auslösen. 

Beispiele Nockenschaltwerk: 

- Uhrwerk mit Schalt- bzw. Weckzeiten 

- Waschmaschinensteuerung 

- Musikdose 




Elektronisches Nockenschaltwerk 

Nockenscheiben sind elektronisch nachgebildet: 

Drehgeber gibt ein Signal 0 ... 360° entsprechend der 

Winkellage Ausgangssignal wird aktiviert 

Bilder: IVO GmbH 

Nocken: digital: EIN/AUS aber keine echte Synchronisation z. B. innerhalb einer Bewegung 



Synchronisation mittels Kurvenscheiben 

Bewegung 

in mm 

Nocken 

startet Bewegung 

STOP!! 

Zeit 

0° 360° 

Maschinengrad 

Nockenschaltwerk: Eine einmal ausgelöste Bewegung kann nicht mehr unterbrochen werden. 

Motor mit 

Bewegung 

in mm 

Maschinengrad 

Kurvenscheibensteuerung: Antriebe sind winkelgenau miteinander verkoppelt, d. h., sie können 

Angehalten, reversiert und auch in der Geschwindigkeit beliebig synchronisiert werden. 




Kurvenzylinder 

Maschinengrad 

Kurvenscheiben ermöglichen nicht nur das 

Ansteuern zweier Endpositionen wie beim 

Nockenschaltwerk, sondern auch die 

Vorgabe des exakten Verfahrweges in 

Abhängigkeit des Drehwinkels 

(Maschinengrad). 

Bahnprofil 

Kurvenscheibe 

Maschinengrad 




Hauptantrieb 

Main Drive 

1 rotativer Hauptantrieb (Wasserrad, Dampfmaschine) 

viele Abtriebe (lineare und rotative mit unterschiedlichen 

Drehzahlen) 

Königswelle , Masterwelle, Hauptwelle 

Gearing 

Gearing 

with 

variable 

reduction 

ratio 

Differencial 

Gearbox 

Electro 

Machanical 

Cuppling 

Cam 

Cam 

Cam 

Cam 

Linear 

Motion 1 

Linear 

Motion 2 

Linear 

Motion 3 

Linear 

Motion 4 

Mühlerama 

Seefeldstrasse 231 

CH 8008 Zürich 



Darstellung mittels Maschinengraden 

Maschinengrade (0 ..360°) 

abgeleitet von der Umdrehung 

der Haupt- oder Königswelle 

270° 

0° 

Main Drive 

Aus der Maschinendrehzahl 

kann die Zeit für 1 Maschinengrad 

berechnet werden. 

180° 

Gearing 

Gearing 

with 

variable 

reduction 

ratio 

Differencial 

Gearbox 

Electro 

Machanical 

Cuppling 

Cam 

Cam 

Cam 

Cam 

Linear 

Motion 1 

Linear 

Motion 2 

Linear 

Motion 3 

Linear 

Motion 4 

Darstellung einer linearen Bewegung in Abhängigkeit 

Vom Winkel der Hauptwelle (Maschinengrad) 

s 

s 

n * 360° 

Maschinengrad 




Motor 2 Motor 3 

Motor 1 

100 mm 

100 mm 

277 mm 

204 mm 

96 mm 204 mm 

277 mm 

Hub Motor 1 

Motor 1 

100 mm Motor 2 

Motor 3 

96 mm 

70° 180° 

360 ° 




277 mm 

Motor 1 

204 mm 

100 mm Motor 2 

Motor 3 

96 mm 

70° 125° 

55° 

360 ° 

Skalierung: z.B.: 

Zyklus dauert 0.5 s (120 Zyklen/min) 

360° := 0.5 sec 

55°= 0.076 s 




b a 

Uebergabestössel Faltrevolver-in-Trockenrevolver. Der 

Uebergabestössel wird während der Rückbewegung 

geschwenkt, damit der Faltrevolver eine Rastung (= 100 mm, 

von a nach b) weitergedreht werden kann. 

Alle 360° Maschinengrad kommt ein fertiges Paket aus der 

Maschine, d.h. ‚dreht‘ sich der Faltrevolver um 100 mm. 

1) Behälter mit Zigaretten 

4) Faltrevolver 

5) Al-Folie 

8) Trockenrevolver 

Leistungsvergleich: Zigarettenverpackungsmaschinen 

1980 300 Packete/min 5 Pakete/Sekunde 

1999 600 Packete/min 10 Pakete/Sekunde 

2003/4 1200 Packete/min 20 Pakete/Sekunde 



Elektronische Synchronisation 

0° 

270° 

Main Drive 

Gearing 

Gearing 

with 

variable 

reduction 

ratio 

Differencial 

Gearbox 

Electro 

Machanical 

Cuppling 

Cam 

Cam 

Cam 

Cam 

Steuerung 

Linear 

Motion 1 

Linear 

Motion 2 

Linear 

Motion 3 

Linear 

Motion 4 

Servoantriebe 

Ersatz der mechanischen Komponenten durch Elektronik: 

Sollwertvorgabe durch die uebergeordnete Steuerung 

Uebermittlung der Sollwertvorgabe 




Analogsignal entspricht direkt der Position 

Analogsignal für s ( 0V = 0mm 

….. 10V=100 mm) 

s 

t 

Maschinensteuerung 

Schleppfehler 

Servoantriebe 

Die übergeordnete Steuerung gibt ein analoges Spannungssignal entsprechend 

der Fahrkurve aus. 

Störanfällig 

Beschränkte erreichbare Genauigkeit bei Positionsvorgabe 

Technische Problematik: Für die dynamische Regelung eines Motors braucht es nebst der Sollposition 

Auch die Sollgeschwindigkeit sowie die Sollbeschleunigung. v(t):= ds/dt 

a(t):=dv/dt=d 2 s/d 2 t 

Jede Differenzierung verstärkt die Störsignale! 




Analogsignale entsprechend der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung (Kraft) 

Analogsignal für v oder besser F (Motorkraft, bzw a) ( 0V = 0mm 

….. 10V=5m/s) 

v oder F 

t 

Istposition 

Geschwindigkeitsvorgabe 

Kraftvorgabe 

(+/-10 V Kraftinterface ) 

Nachteil: Der Positionsregelkreis muss über die übergeordnete Steuerung geschlossen werden. 




Uebertragung von Differenzwerten: ‚Step and Direction‘, ‚Indexersignal‘ 

s 

Step / Direction (z.B. pro Schritt 0.01 mm) 

Schleppfehler 

Steps 

Jeder Schritt ist gleich gross. 

Lediglich die Richtung kann variiert werden. 

Direction 

(vgl.: Schrittmotoransteuerung) 

Einfaches digitales Verfahren, welches bei genügend hoher Taktrate sehr genau sein kann. 

Prädestiniertes Verfahren im Zusammenhang mit Schrittmotoren. 




Gemeinsamer ‚Taktbus‘ (Maschinengrade) 

s 

Kurvenprofil muss im 

Servocontroller 

gespeichert sein ! 

ABZ-Encodersignale = Maschinengrad 0 … 360° 

Maschinengrad 

Schleppfehler 

A 

B 

Rechteckauswertung 

AB- Auswertung ergibt Richtung der Bewegung 

Inkremente zählen (--> Lage zur Initialposition) 

(Z Signal für Initialpositionserkennung bzw. mech. Stop) 

Uebertragen wird nicht die Position, 

sondern der Maschinenwinkel. 

Vorteil: nur eine einzige Leitung mit 

dem ABZ -Signal muss in der 

Maschine verkabelt werden. Die 

Fahrkurve ist im Servocontroller 

abgespeichert. 

(Direkte Analogie zur Mechanik) 




Vorgabe von vollständig parametrierten Sollpositionen im Abstand von xy ms 

Ziel-Position 

- Geschwindigkeit 

- Beschleunigung 

- Bremsbeschleunigung 

Schleppfehler 

Der Servocontroller berechnet 

aus den Parametern das Bewegungsprofil 

Dieses Verfahren benötigt eine hohe 

Uebertragungsrate. 




Vorgabe von teilparametrierten Sollpositionen und Berechnung der ‚fehlenden‘ 

Angaben im Servocontroller (z.B. PV-Streaming (PositionVelocity-Streaming) 

Nächste Position 

mit Endgeschwindigkeit 

(evtl. Segmentzeit) 

001100101011100 

Die Kurve wird mit einem Vorhalt von mindestens 1 Takt- 

Zyklus übertragen. Nachteil: wenn die Kurve durch Echtzeit- 

Ereignisse beeinflusst wird, entsteht ein entsprechender Delay. 

Kurve dritter Ordnung: 

T e = T S +T i 

x s = a*T S3 +b*T S2 +c*T S +d 

v s = 3a*T S2 +2b*T S +c 

x e = a*T e3 +b*T e2 +c*T e +d 

v e = 3a*T e2 +2b*T e +c 

2 .. 5 ms T S T E 

A,b,c,d -Koeffizientenbestimmung möglich, 

da Endposition und Endgeschwindigkeit 

identisch der Anfangsposition und 

Anfangsgeschwindigkeit des nächsten 

Segmentes sind. Reduktion der 

Bandbreite 




Variante 1 

Uebergeordnete Steuerung gibt in Analogtechnik den Sollwert 

an jeden einzelnen Antrieb aus. Der Positionsregelkreis wird über die 

Steuerung geschlossen, d.h., die Istposition muss ebenfalls zur Steuerung 

geführt werden. 

A,B,Z 

Variante 2 

Uebergeordnete Steuerung sendet ein digitales ABZ-Signal, welches die 

Maschinengrade übermittelt. Alle ‚interessierten‘ Antriebe lesen ihre Sollposition 

aus den lokal abgespeicherten Kurvenprofilen aus. 

Für die Rückmeldung existiert ein separater Bus. 

Feldbus 

Variante 3 

Die übergeordnete Steuerung gibt in Digitaltechnik Sollwerte für jeden 

einzelnen Antrieb über einen Feldbus aus. Die Rückmeldung 

(Schleppfehler etc) erfolgt über denselben Feldbus. 



Einzelverdrahtung / Feldbus 

Feldbus 

Feldbus-Verbindung 

-Unübersichtlich 

-Aufwendig 

-Wartungsunfreundlich 

+ Uebersichtlich 

+ Wartungsfreundlich 

+/- braucht im Fehlerfall spezielle Analysetools 



Feldbus in der Mechtronik 

Feldbus: Von der Steuerung führt EIN Kabel zu allen Aktuatoren, 

Sensoren, Motoren etc. Die Informationen werden also 

seriell über ein einzelnes Kabel übertragen. 

Minimierung des Vertrahtungsaufwandes 

Bandbreite bzw Echtzeit-Fragen entstehen 

Feldbus 

Soll Werte für Motor 2 Temp Wert von Motor 4 SollKraft für Motor 1 Schleppfehler Motor 3 

Bandbreitenbedarf... := Anzahl Antriebe * (Uebertragungsrate pro Antrieb) 

Achtung: Antriebstechnik in der Mechatronik erfordert meist Echtzeit, das heisst, 

Sollwerte müssen zyklisch in garantierter Zeit übertragen werden. 

Einige gebräuchliche Feldbussysteme: 

Interbus, CanOpen (1 Mbit/s), DeviceNet, ProfiBus (20 Mbit/s) 

Feldbusse basierend auf Ethernet (siehe später) 



Echtzeit / Echtzeituebertragung 

Soll Werte für Motor 2 

Steuerung 

Telegramm 


Antrieb 

Delay 


Jitter 

t 

Uebertragungszeit 

t 

Echtzeit: Eine bestimmte Datenmenge muss in jedem Fall in einer garantierten Zeit (+/- Jitter) 

übertragen werden. 

Bsp: Musik-/ Videoübertragung: keine ‘harte’ Echtzeitanforderung, dafür hohe Datenmenge 

(Datenbufferung: Daten können auf Vorrat übertragen werden) 

Motoren in Maschinen: Relativ kleine Datenmengen (Typisch 8-20 Byte), dafür hohe Echtzeit 

Anforderungen (zyklisch in

Echtzeit / Echtzeituebertragung 

Echtzeitanforderungen 

‚Direktion‘: Minuten 

Anlagensteuerung 

Anlagesteuerung: Sekunden 

Maschinensteuerung ( Industrie-PC, SPS, Prozessrechner) 

Maschinensteuerung:

Echtzeit Ethernet als Feldbus 

Herkömmlicher industrieller Feldbus ‚Profibus‘: 

‚Ethernet‘ basierter Feldbus : 

20 Mbit/s 

100 Mbit/s ..... 1Gbit/s 

Uebertragungsrate: 5 ...50 mal besser 

Echtzeitfähigkeit : ?? 

Station 1 

Station X 

Anwendung 

Darstellung 

Sitzung 

Transport 

Vermittlung 

Sicherung 

Bitübertragung 

OSI-Referenzmodell mit den 7 Layern 

Ethernet - Telegramm 




„Standard-Ethernet“ 

- Jeder Teilnehmer arbeitet unabhängig 

- Datenpakete sind ‚unkoordiniert‘ unterwegs 

- Prinzip beruht auf der Kollision bzw. der Kollisionserkennung 

- keine garantierte Uebertragungszeit/rate 




Schritte und Möglichkeiten zum Echtzeit-Ethernet 

a) Aufteilung in zwei Zeitbereiche: 

Zeitbereiche für ‘normales Ethernet’ 

Zeitbereiche für ‘Echtzeit-Ethernet’ ( spezielle Protokolle, welche 

Kollisionen etc verhindern) 

Gateway 

Echtzeit- 

Ethernet 

Echtzeit-Ethernet 

‘normales Ethernet (TCP/IP)’ 




b) Reduktion der Telegrammgrösse kürzere Zykluszeiten 

Normales Ethernet Telegramm: 

Echtzeit Ethernet Telegramm: 

1,5 kByte 

46…. Byte (reicht für Sollwertübertragung etc) 




c) Anzahl Teilnehmer limitieren 

‚Verstopfung‘, wenn zuviele Teilnehmer dabei sind 

(halbherzige) ‚Lösung‘ :Anzahl Knoten im Netzwerk 

limitieren 




d) Polling löst ‚Verstopfungsproblem‘ 

Polling: Steuerung frägt der Reihe nach alle Antriebe an (request), ob sie etwas zu melden 

haben und wartet jeweils auf die Antwort. Die Anzahl der abzufragenden Antriebe limitiert die 

minimale Zykluszeit. 

Req. Drive A Answer. Drive A Req. Drive B Answer. Drive B 

t 

Zu beachten: 

ungünstige Ausnutzung der Bandbreite, da viele Telegramme gesendet werden müssen. 

‚Langsam‘, da immer auf eine Antwort gewartet werden muss. 

Realisierung: Powerlink (Firma B&R) 




e) ‚Rundreise‘ eines grossen Telegrammes statt von vielen kleinen Telegrammen 

Im Datenblock von jedem Telegramm ist ein bestimmter 

Teil für jedes einzelne Gerät vorgesehen. 

Es wird zyklisch ein grosses Telegramm ‚auf die Reise‘ 

geschickt. Jedes Gerät liest die für ihn relevanten 

Daten daraus aus und fügt eigene Informationen ins 

Telegramm ein (‚on the fly‘). Des letzte Gerät sendet 

das Telegram zurück. 

Ethernet Paket 

Realisierung: EtherCAT (Firma Beckhof ) 




Bsp: EtherCAT 

.... 3623/sec 

Quelle: EtherCAT Technology 

- Gute Ausnutzung der Bandbreite, da pro Telegrammheader sehr viele Daten transferiert werden. 

- Gute Kontrolle über zeitliches Verhalten, da der ganze Ablauf von einem Master aus gesteuert wird 

(…alle 0.00.. s kommt ein Telegramm). 

Optimiert auf viele kurze Informationen, die ausgetauscht werden müssen ( z.B. in der Antriebstechnik)

t - ETH PES - ETH Zürich

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