NI Motion Control rendszer kialakítása

A National Instruments (NI) mozgásvezérlési megoldásainak kínálata az egyszerű, egytengelyes vezérléstől egészen az elosztott, többtengelyes szinkron vezérlésig terjed. Cikkünkben az NI mozgásvezérlési platformot tekintjük át, iránymutatást adva az egyes alkalmazások számára legmegfelelőbb hardverelrendezés kiválasztásához.

A következőkben összevetjük egy teljes körű mozgásvezérlő rendszer különböző megvalósításait, amihez előzetes ismereteket feltételezünk e rendszerek felépítéséről és az őket alkotó részegységekről, például a valósidejű operációs rendszerekről és az FPGA-król.

A mozgásvezérlő rendszerek részegységei

A mozgásvezérlő rendszerek több részelemből állnak, amelyek egymással együtt­működve valósítják meg mozgásvezérlési funkcióikat (1. ábra).  Az adott alkalmazás összetet­tségének függvényében az egyes mozgásvezérlési részegységek bonyolult­sága eltérő lehet. Az NI SoftMotion komplex mozgásvezérlő platform a különféle funkciókat különálló elemekként kezeli (2. ábra), amelyek elkülönített rendszerkomponen­seken valósíthatók meg összhangban az alkalmazás követelményeivel és a rendszer áramköri hátterével. Az ily módon kialakított mozgásvezérlő rendszer felépítése rugalmas, a szükséges építőelemek jelentős részét lefedi, ugyanakkor igény esetén lehetőséget ad az egyes részelemek finomhangolására, miközben a fennmaradó komponenseket továbbra is magas szinten kezelhetjük.  
    Az NI SoftMotion rugalmasságát az NI újrakonfigurálható be-kimeneti (RIO) rendszerrel ötvözve többféle rendszer-architektúra kialakítására van lehetőségünk. A következőkben áttekintjük egy NI mozgásvezérlő rendszer kialakításának lehetőségeit, valamint bemutatjuk, hogy az egyes változatok hogyan valósítják meg a fent látható mozgásvezérlési elrendezést.

1.ábra Egy mozgásvezérlő rendszer felépítése

2. ábra Az NI SoftMotion rendszer felépítése

Elosztott mozgásvezérlés EtherCAT-kapcsolattal

A kábelezés és beállítások tekintetében a legegyszerűbb megoldás egy NI valós idejű vezérlőből és a hozzá kapcsolt AKD EtherCAT-meghajtóból álló NI meghajtó/motor elrendezés (3. ábra), amely egyben a leg­nagyobb teljesítőképességű megoldás is.
    Valósidejű vezérlőként felhasználható bármely EtherCAT-rendszervezérlő („Master” funkcióval ellátott, valósidejű NI-vezérlő: NI CompactRIO, PXI RT, NI ipari vezérlő vagy beágyazott gépi látórendszer), amely képes futtatni a felhasználói programot és az NI SoftMotion motort. A vezérlő az Ethernet-hálózatok szabványos CAT5 kábelével kia­lakított EtherCAT-buszon csatlakozik az AKD-meghajtóhoz, amely interpolálja a vezér­lő­jeleket, a szabályozóhurkokat, a mozgási be- és kimeneteket (például végállás, alapállás és vészleállító kapcsolók), valamint előállítja a motorvezérlő jeleket.
    E rendszerfelépítés előnye többek között az egyszerű bővíthetőség és a szerkezetéből következő szinkronitás. A rendszerhez további tengelyek illeszthetők, a fenti ábrán látható módon több meghajtó láncba kapcsolásával. Mivel a rendszer az EtherCAT-buszt használja, ezért minden egyes hozzáadott meghajtó automatikusan szinkronba kerül a többi rendszerelemmel.   
    A LabVIEW és a LabVIEW NI SoftMotion modul az NI AKD EtherCAT-meghajtók fennakadásmentes használatához teljes­körűen kialakított projekteket tartalmaznak. A LabVIEW-projektből kiindulva összeállíthatjuk, paraméterezhetjük és ellenőrizhetjük a teljes mozgásvezérlő rendszert, egyedi mozgási megoldásunkat pedig az NI SoftMotion API segítségével fejleszthetjük ki.
    A National Instruments emellett harmadik fél által gyártott EtherCAT-meghajtókat is támogat a beépített tengely-illesztőfelületén keresztül. Ebben az esetben az egyedi kommunikációs protokollt a felhasználónak kell kialakítania. Az NI internetes oldalán számos kivitelezési példa tekinthető meg.

3. ábra Az EtherCAT meghajtó alapú (NI Motion Control) mozgásvezérlő rendszer

NI 9148 bővítőkeret és „C” sorozatú motormeghajtó

Egyszerűbb automatizált mozgásvezérlési feladatok esetén az NI SoftMotion-alapú alkalmazásunkat futtathatjuk az új NI 9148 Ethernet RIO bővítőkerethez és a „C” sorozatú motormeghajtó modulhoz csatlakoztatott, Windows operációs rendszerű számítógépen is (4. ábra). Ebben a megközelítésben az NI SoftMotion-motor az NI 9148 típusú eszközön fut, ezért a mozgásvezérlő alkalmazás annak ellenére is megbízhatóan működik, hogy nem kellett valósidejű programot készítenünk. A felhasználói program a Windows-alapú számítógépen fut, a pozícióparancsokat közvetlenül a „C” sorozatú motormeghajtó moduloknak küldi a RIO Scan Engine segítségével. Ez a megoldás a Windows-alapú alkalmazásfejlesztés egyszerűségét egyesíti a megbízható mozgásvezérléssel, mivel a pozíciószabályozó hurkok a „C” sorozatú modulon belül, dedikált hardveren hajtódnak végre.
    A motormeghajtó modul tetszőleges, a jelen rendszerrel összeférhető, külső fél által gyártott meghajtóhoz csatlakoztatható; a 9148 típusú eszköz képes akár 8 mozgó tengelyt is kezelni (motormeghajtó modulonként egy-egy tengelyt). E hardverelrendezés legfontosabb előnye, hogy a Windows-alapú programozás mellett megőrzi a mozgásvezérlési alkalmazás megbízhatóságát és determinisztikusságát; továbbá a mozgás­vezérlési alkalmazás egyéb típusú be- és ki­menetekkel is kiegészíthető az NI, valamint a külső felek által gyártott „C” sorozatú modulok révén, amelyek száma meghaladja a 100-at.

CompactRIO-alapú rendszerek

Ha még pontosabb időzítésre vagy önálló működésre van szükség, egyszerűen átállhatunk CompactRIO valósidejű rendszerre. Ehhez elég az alkalmazásunkat az NI 9148 vezérlő helyett valósidejű vezérlőn futtatni.
    A motorok teljesítményviszonyaival és a szabályozóhurok hozzáférhetőségével szemben támasztott követelményeket figye­lembe véve választhatunk az NI CompactRIO-rendszert külső meghajtóhoz kapcsoló „C” sorozatú motormeghajtó modulok vagy a kis teljesítményű léptető és szervomotorok meghajtóelektronikáját tartalmazó, „C” sorozatú meghajtók közül (4. ábra). Egy harmadik lehetőség is rendelkezésünkre áll, az ún. tengely-illesztőfelület, amely testre szabható FPGA-alapú vezérlést nyújt, és egyszerű NI be/kimeneti modulok is használhatók vele.

4. ábra NI 9148 Ethernet bővítőkeret alapú rendszer

 „C” sorozatú  motormeghajtó modulok

Az NI CompactRIO NI 951x „C” sorozatú motormeghajtó modulok (5. ábra) több száz féle léptető- és szervomotorhoz közvetlenül csatlakoztathatók. A modulokról leve­hetők egy tengelyre vonatkozóan a léptető- vagy szervomotorok illesztéséhez szükséges jelek, lehetővé téve a CompactRIO-rendszer külső meghajtóhoz való csatlakoztatását. Emellett mozgásvezérlési be- és kimenetek teljes választéka is rendelkezésre áll, beleértve az alap- és végálláskapcsolókat, pozíció­visszajelző növekményes jeladóbe­mene­teket, valamint digitális be- és kimeneti vonalakat. A spline interpolációs motort és a szabadalmi védelem alatt álló NI léptetés­számító algoritmust az NI 951x motormeghajtó saját processzora futtatja.

5. ábra  cRIO és „C” sorozatú motormeghajtó rendszer

    Ezt az elrendezést abban az esetben célszerű választani, ha meglévő, külső fél által gyártott meghajtót és motort szeretnénk rendszerbe illeszteni. Emellett az elrendezés az előzővel megegyező „C” sorozatú bővítési lehetőségeket (6. ábra) is tartalmazza más típusú be- és kimenetekhez.
    A National Instruments rendelkezik a „C” sorozatú motormeghajtó modult és a külső léptető- (P7000), illetve szervo­meg­hajtót (AKD) közvetlenül összekapcsoló kábelekkel. Külső gyártó meghajtójához való csatlakozáshoz további kábel- és csatlakozókészletek kaphatók. A „C” sorozatú motormeghajtó modulokról további információk, valamint egy adott alkalmazáshoz legmegfelelőbb modul kiválasztását segítő információk az [ni.com] weboldalon találhatók.

6. ábra cRIO és C sorozatú meghajtó alapú rendszer

 „C” sorozatú meghajtók

A National Instruments kínálatában szerepelnek olyan „C” sorozatú meghajtó modulok is, amelyek önmagukban képesek a szükséges áramot a motor tekercselésére juttatniegészen 100 W teljesítményig. Ebben az esetben nincs szükség külső meghajtóra, a vezérlési algoritmust teljes egészében az FPGA hajthatja végre. E rendszer előnye, hogy a meghajtó közvetlenül a cRIO-keretben található, ezért nincs szükség további külső egységre és bonyolult kábelezésre.

Tengely illesztőfelület

A szabályozási alkalmazás önálló működtetése mellett a CompactRIO-rendszer használata további finomhangolási lehetőségeket is nyújt. Amennyiben alkalmazásunk egyedi visszacsatolást vagy a pozíciószabályozó hurokban összetett szabályozó algoritmusokat igényel, az algoritmus megfelelő részét átemelhetjük a CompactRIO hátlapi paneljén elhelyezett FPGA-ra, tehát a LabVIEW FPGA-t az algoritmus testreszabására vagy saját algoritmusunk elkészítésére használhatjuk. Ezzel egyedi jeladókhoz (mint például az EnDAT-jeladók vagy rezolverek/induktív érzékelők) csatlakoztathatjuk a „C” sorozatú mozgásvezérlő modulokon kívül az NI vagy más gyártó általános be/kimeneti modulját is, továbbá sokcsatornás be/kimeneti egységekkel lehetőség van nyolcnál több tengely kezelésére is (7. ábra).
A megvalósításhoz további LabVIEW modulok szükségesek, például a LabVIEW Real-Time és a LabVIEW FPGA.

7. ábra Tengely illesztőfelületet használó rendszer egyedi szabályzóhurok kialakítására, NI „C” sorozatú modulokkal

NI Single-Board RIO

Amennyiben kis fizikai méretű megoldást szeretnénk nagy darabszámban előállítani, mozgásvezérlő rendszerünket az NI Single-Board RIO-n is kialakíthatjuk, amely az NI CompactRIO-rendszer készülékház nél­küli változata. Ha ezt a megoldást választjuk, egyedi burkolatra van szükség, továbbá a meg­felelő tanúsítványok megszerzése és a biztonságos kivitelezés is a fejlesztő feladatává válik. Ugyanakkor nagy darabszám esetén ez a leginkább költséghatékony lehetőség. Az NI „C” sorozatú moduljainak többsége szintén megrendelhető ebben a kivitelben, beleértve a mozgásvezérlő meghajtó és motormeghajtó modulokat is.

PCI- vagy PXI-bővítőpanelek

A National Instruments PCI- és PXI-illesztőfelületű mozgásvezérlő paneleket is kínál (8. ábra). Ezeken a gyártó DSP- és FPGA-áramkörei kaptak helyet, amelyek a mozgásvezérlő rendszer legtöbb funkcióját képesek ellátni. Az univerzális mozgás-illesztőfelület (Universal Motion Interface, UMI) felhasználható más gyártó léptető- és szervomeghajtójának kezelésére, valamint közvetlenül csatlakozhatunk a National Instruments MID szervo- és léptetőmeg­hajtókhoz. A bővítőpanelek ideális megoldást jelentenek meglevő számítógépes vagy PXI-rendszerek kiegészítéséhez mozgásvezérlési képességekkel.

8. ábra PCI és PXI alapú mozgásvezérlő rendszer

Összefoglalás

A National Instruments mozgásvezérlési megoldásainak kínálata az egyszerű, egytengelyes vezérléstől egészen az elosztott, többtengelyes, szinkron vezérlésig terjed.
A megoldásokat a 9. ábra foglalja össze.
    Az NI SoftMotion és az NI konfigurálható be/kimeneti architektúra együttesen az ismertetett rendszerváltozatok alapját adja, fennakadásmentesen integrálhatóak egyéb mozgásvezérléshez használt be- és kimenettípusokkal. Az ismertetett rendszerek részletei és további információk az ni.com/motion weboldalon találhatók.

9. ábra Az NI mozgásvezérlési megoldásai. Minden rendszer több összetevőt tartalmaz, az elnevezés a legfőbb tulajdonságot tükrözi

National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400, fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.