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NI-Hard- und -Software für die Motorsteuerung vereinfacht die Entwicklung von Motorsteuerungsanwendungen und lässt sich problemlos mit NI-Datenerfassungs- und -Bildverarbeitungsprodukten kombinieren. Von der Automatisierung von Prüfanlagen bis hin zur Steuerung medizinischer und industrieller Geräte ermöglichen NI-Motorsteuerungsprodukte die schnelle und kostengünstige Realisierung verschiedenster Anwendungen. |
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Grundlagen
Komponenten eines Motorsteuerungssystems
Im nachfolgenden Diagramm sind die wichtigsten Bestandteile eines Motorsteuerungssystems abgebildet:
Abb. 1: Die Motorsteuerungseinheit bildet das Herzstück des Motorsteuerungssystems.
Der Teil, der sich von Anwendung zu Anwendung unterscheidet, ist die für die jeweilige Applikation entwickelte Software. Sie bestimmt, wie das Bewegungsprofil aussieht und wie es von bestimmten Ereignissen getriggert und beeinflusst wird. Die Anwendungssoftware besteht aus mehreren optionalen Schichten. Normalerweise gibt es dabei eine Anwendung für die Benutzeroberfläche, über die das Bedienpersonal mit der Applikation interagiert. Viele Motorsteuerungsanwendungen umfassen außerdem Schichten für die Alarmierung und die Datenbankanbindung an ein SCADA-System. Darüber hinaus enthalten sie Anweisungen für die Motorsteuerungen, die vom Controller ausgeführt werden. Der Hersteller der Motorsteuerungseinheit stellt die Entwicklungsumgebung zur Verfügung, mit der die Anwendungssoftware entwickelt wird. Nach den zuvor genannten Anweisungen erstellt die Motorsteuerungseinheit Bewegungsprofile. Basierend auf diesen Profilen sendet der Controller Signale (meist ±10 V bzw. Schritt- und Richtungssignale) über einen Verstärker oder Motorantrieb an den Motor. Aufgabe des Verstärkers ist es, die Steuersignale vom Controller in Leistungssignale umzuwandeln, die den Motor bewegen. Während der Motor arbeitet, liefert das Feedback-Gerät – meist ein Lagesensor – Informationen über die Position zurück an den Controller, um die Regelschleife zu schließen. Über diesen Positionssensor erfährt die Motorsteuerungseinheit die Lage des Motors und kann daraus die Geschwindigkeit ableiten, mit der er sich bewegt. Manche Anwendungen erfordern mehrere Feedback-Geräte, um zu gewährleisten, dass das mechanische System, das der jeweilige Motor antreibt, die Bewegung ordnungsgemäß ausführt. Obwohl die Feedback-Geräte Angaben zur Position liefern, müssen in manchen Fällen zusätzlich Feedback-Informationen, etwa Daten von einem Druck- oder Schwingungssensor, an den Controller übermittelt werden.
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1. Controller
National Instruments bietet eine Vielzahl an Motorsteuerungseinheiten, von DSP-basierten, leistungsstarken Steckkarten für PCI- und PXI-Systeme bis hin zu Embedded-Motorsteuerungssystemen. Diese Systeme basieren typischerweise auf NI-Echtzeitplattformen, wie beispielsweise NI CompactRIO und NI Single-Board RIO, oder auch den Industrie-Controllern, die mithilfe des LabVIEW NI SoftMotion Module für Motorsteuerungsanwendungen verwendet werden können. Diese NI-SoftMotion-Technologie unterstützt den Anwender dabei, eine benutzerdefinierte Motorsteuerung auf echtzeitfähigen und FPGA-basierten Hardwareplattformen zu implementieren. Sie erleichtert den Einsatz von Steuerungen zur Überwachung und Trajektoriengeneratoren, die für erfolgreiche benutzerdefinierte Motorsteuerungsanwendungen mithilfe grafischer Programmierung nötig sind.
| Motorsteuerung in Echtzeit mit LabVIEW NI SoftMotion | Verteilte Motorsteuerung mit LabVIEW NI SoftMotion und EtherCAT | Motorsteuerungseinheiten im Steckkartenformat für PCI und PXI | |||
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Motorsteuerung in Echtzeit mit LabVIEW NI SoftMotion
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Mit dem LabVIEW NI SoftMotion Module kann eine benutzerdefinierte Motorsteuerungseinheit auf NI-Echtzeitzielgeräten wie NI Single-Board RIO und CompactRIO, PXI-Echtzeitsystemen oder Industrie-PC erstellt werden. Die NI-SoftMotion-Technologie erleichtert den Einsatz von Steuerungen zur Überwachung und Trajektoriengeneratoren, die automatisch auf dem Echtzeitcontroller verwendet werden. Außerdem lassen sich in einem LabVIEW-Projekt alle Motorachseneinstellungen konfigurieren, überprüfen und Motoren feinabstimmen sowie benutzerdefinierte Motorsteuerungsanwendungen schnell mithilfe grafischer Programmierung entwickeln. Diese können anschließend auf einer robusten und zuverlässigen echtzeitfähigen sowie FPGA-basierten Hardwareplattform von NI eingesetzt werden. Für die Anwendungsentwicklung bietet LabVIEW NI SoftMotion eine High-Level-API basierend auf Funktionsblöcken. Darüber hinaus steht eine eigenschafts- und methodenknotenbasierte API für offenen Zugriff auf Low-Level-Motorsteuerungsfunktionen bereit. Die benutzerdefinierten Motorsteuerungsanwendungen können auf dem Echtzeitsystem oder sogar lokal auf einem Windows-gestützten PC ausgeführt werden, der mit einem Echtzeit-Controller kommuniziert und über eine Steuerung zur Überwachung und Trajektoriengenerierung verfügt. Echtzeitcontroller
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Verteilte Motorsteuerung mit LabVIEW NI SoftMotion und EtherCAT
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Das LabVIEW NI SoftMotion Module lässt sich auf verteilten oder vernetzten Motorsteuerungssystemen einsetzen. Mit einem Echtzeitsystem von NI (NI cRIO-902x, NI cRIO-9074, NI Industrial Controller, PXI und NI Embedded Vision System), das NI-EtherCAT-Mastersoftware ausführt, können Motorsteuerungssysteme implementiert werden, die über EtherCAT direkt mit EtherCAT-fähigen Antrieben kommunizieren. Anwender können dafür auch das EtherCAT-Erweiterungschassis NI 9144 und Antriebsmodule der C-Serie verwenden. Über ein interaktives Testpanel können mithilfe von LabVIEW NI SoftMotion und mittels eines LabVIEW-Projekts alle Motorachseneinstellungen und verteilten Antriebe konfiguriert, überprüft und abgestimmt werden. Da sie auf der gleichen Technologie basieren, können lokale und verteilte Motorachsen am gleichen Controller angeschlossen sein. Für die Anwendungsentwicklung bietet LabVIEW NI SoftMotion eine High-Level-API basierend auf Funktionsblöcken. Darüber hinaus steht eine eigenschafts- und methodenknotenbasierte API für offenen Zugriff auf Low-Level-Motorsteuerungsfunktionen bereit. Verteilte Motorsteuerungen
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Motorsteuerungseinheiten im Steckkartenformat
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National Instruments bietet eine Reihe von Motorsteuerungsmodulen, angefangen bei Hochleistungs-Controllern mit vollem Funktionsumfang für anspruchsvolle Anwendungen bis hin zu zuverlässigen preisgünstigeren Controllern für Anwendungen, bei denen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen auszuführen sind. Die NI-Controller mit der höchsten Leistungsfähigkeit in diesem Bereich sind die Geräte der Reihe NI-7350, die über bis zu acht Achsen für die Schritt- und Servomotorsteuerung verfügen. Die NI-Controller auf der nächstgelegenen Leistungsstufe in diesem Bereich sind die Geräte der Reihe NI-7340, die bis zu vier Achsen für die Schritt- und Servomotorsteuerung bieten. Die kostengünstigsten NI-Controller finden sich in der Reihe NI-7330 und unterstützen den Anwender mit vier Achsen bei der Schrittmotorsteuerung. Jeder dieser Controller lässt sich problemlos mit Datenerfassungsgeräten von NI kombinieren und ermöglicht so die Erstellung leistungsfähiger automatisierter Prüfsysteme. Controller im Steckkartenformat |
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Motoren
Zum Produktspektrum von National Instruments zählen auch Schritt- und Servomotoren für unterschiedliche Anwendungsanforderungen. Trotz verschiedener Baugrößen und Leistungsklassen arbeiten beide Motorarten auf sehr hohem Niveau. Die bürstenlosen DC-Servomotoren vom Typ AKM von NI erreichen ein maximales Drehmoment von bis zu 37,5 Nm und eine Drehzahl von 8000 U/min und verfügen zudem über integrierte SFD-Technologie (Smart Feedback Device). Damit sind sie bestens auf den Einsatz mit NI-AKD-Servoantrieben abgestimmt. Die NI-Schrittmotoren verfügen über ein maximales Haltemoment von 12,1 Nm und bieten exakte Positionierbarkeit mit einer Winkelauflösung von 1,8 Grad (200 Schritte/Umdrehung). Aufgrund des zweiphasigen Aufbaus ist für diese Motoren nicht zwingend ein teures Feedback in Form von Drehgebern nötig, weshalb sie einfach zu steuern sind.
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Servomotoren
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Die bürstenlosen DC-Servomotoren vom Typ AKM von NI können in einem großen Drehzahlbereich eingesetzt werden und verfügen über ein maximales Drehmoment von bis zu 37,5 Nm. Zudem sind sie in sechs verschiedenen Standardbaugrößen erhältlich und liefern integriertes Feedback dank SFD-Technologie (Smart Feedback Device) für vereinfachte Installation und Konfiguration. Aufgrund des bürstenlosen Aufbaus und dank Rotoren mit geringer Massenträgheit benötigen bürstenlose AKM-Servomotoren geringen Wartungsaufwand und bieten dabei leistungsstarke, dynamische Funktionalität. |
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Schrittmotoren
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Schrittmotoren von NI bieten ein hohes Drehmoment, hohe Präzision und einfache Anbindungsmöglichkeiten an NI-Schrittmotorantriebe. Dank des bürstenlosen Aufbaus, robuster Lager und innovativer Kühltechnologie können diese Motoren eine lange Lebensdauer vorweisen. Der zweiphasige Aufbau gewährleistet zudem kleine und präzise Bewegungen mit einer Winkelauflösung von 1,8 Grad (200 Schritte pro Umdrehung). Ferner sind die Motoren einfach zu steuern und erfordern nicht zwingend teure Drehgeber. Durch den Einsatz der NI-Schrittmotoren mit den passenden Schrittmotorantrieben zur Motorsteuerung, die am besten für die Anwendungsanforderungen geeignet sind, lassen sich schnell präzise Steuerungssysteme für Schrittmotoren entwickeln. |
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Antriebe
Die Antriebsverstärker von National Instruments für Schritt- und Servomotoren verfügen über zuverlässige und einfach anzuschließende Komponenten für alle Motorsteuerungseinheiten von NI. Die Antriebe stehen für unterschiedliche Leistungsklassen und Formfaktoren zur Verfügung – von C-Serien-Modulen für die direkte Anbindung von NI-CompactRIO-Regelsystemen an Motoren mit geringer Leistungsaufnahme sowie externe Antriebe für eine Achse, die bestens mit NI-Schritt- und -Servomotoren eingesetzt werden können, bis hin zu mehrachsigen Antrieben, die für Anwendungen mit Motorsteuerungseinheiten im Steckkartenformat von NI optimiert wurden.
| Servomotorantriebe | Schrittmotorantriebe | ||
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Servomotorantriebe
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Die Antriebsverstärker von National Instruments für Servomotoren verfügen über zuverlässige und einfach anzuschließende Komponenten für alle Motorsteuerungseinheiten von NI. Die bürstenlosen AKD-Servoantrieben bieten modernste Technologie für eine Motorachse. Sie ermöglichen dem Anwender die Plug-and-play-Konfiguration für bürstenlose DC-Servomotoren vom Typ AKM von NI sowie eine Anbindung über analoge Steuersignale oder über deterministische EtherCAT-Kommunikation. Das Modul NI 9505 ist ein Servoantriebsmodul für volle H-Brückenschaltungen zur direkten Anbindung von CompactRIO-Hardware an bürstenbehaftete DC-Servomotoren (Kleinmotoren), Relais, Lampen, Magnetspulen und Ventile. Die Antriebe NI MID-765x für bürstenbehaftete DC-Motoren lassen sich bestens mit den NI-PCI- und NI-PXI-Motorsteuerungseinheiten im Steckkartenformat einsetzen. Die Steuereinheiten NI MID-7654 und MID-7652 sind Antriebe für vier- bzw. zweiachsige Servomotorsysteme. Sie beinhalten einen Servomotorverstärker, der analoge Steuersignale in Wicklungsströme für bürstenbehaftete DC-Motoren umwandelt. |
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Schrittmotorantriebe
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Die NI-Antriebsverstärker für Schrittmotoren verfügen über zuverlässige und einfach anzuschließende Komponenten für alle Motorsteuerungseinheiten von NI. NI bietet 1-, 2- oder 4-Achsen-Antriebe mit hohem Drehmoment und Mikroschrittbetrieb. Der Antriebsverstärker P70360 mit AC-Eingang für eine Achse ermöglicht eine Versorgung mit 320 V und einen Ausgangsspitzenstrom von 3,5 A, während der Antriebsverstärker P70530 mit DC-Eingang für eine Achse eine Versorgung von 20 bis 75 V bei einem Ausgangsspitzenstrom von 7,1 A zur Verfügung stellt. Die AC-Antriebsverstärker für zwei bzw. vier Achsen der Serie NI MID-7602/4 ermöglichen einen Ausgangsspitzenstrom von 1,4 A. Zusätzlich verfügen die Antriebe für eine Achse über Funktionen zur dynamischen Glättung und Antiresonanzfilter für flüssige Bewegungsabläufe sowie eine drehgeberlose Erkennung von Motorblockaden. Aus der Produktpalette von National Instruments kann zudem ein Schrittmotorantrieb der C-Serie für eine Achse ausgewählt werden, mit dem sich Schrittmotoren direkt an ein Embedded-Motorsteuerungssystem der Produktfamilie CompactRIO anbinden lassen. |
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Software
Mit Add-on-Softwaretools, die speziell für NI LabVIEW und die Motorsteuerung entwickelt wurden, können mithilfe grafischer Programmierung leistungsstarke, benutzerdefinierte Motorsteuerungsanwendungen erstellt werden. Konfigurationsbasierte Werkzeuge und High-Level-APIs lassen sich miteinander kombinieren, um benutzerdefinierte Anwendungen zu entwickeln und diese auf NI-Hardware für die Motorsteuerung einzusetzen.
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LabVIEW NI SoftMotion Module
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NI LabVIEW und das LabVIEW NI SoftMotion Module ermöglichen die grafische Entwicklung benutzerdefinierter Motorsteuerungsanwendungen. Mithilfe von LabVIEW NI SoftMotion können alle Einstellungen der Motorachsen konfiguriert, überprüft und feineingestellt werden, um Motorsteuerungsanwendungen schnell zu entwickeln und auf Embedded-Hardware einzusetzen. Diese Anwendungen kommen auf NI-Echtzeitcontrollern zum Einsatz oder lassen sich auf einem lokalen Windows-Host ausführen, der an einen Echtzeitcontroller mit NI-SoftMotion-Engine angebunden ist. |
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NI Motion Assistant
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Der NI Motion Assistant ist eine konfigurationsbasierte, interaktive Entwicklungsumgebung für die zügige Prototypenerstellung und Ausführung von Motorsteuerungsanwendungen mit Motorsteuerungen im Steckkartenformat von NI. Mit ihm lassen sich benutzerdefinierte Anwendungen entwickeln und mithilfe der NI-Motion-API in sofort ablauffähige LabVIEW-VIs oder C-Code umwandeln. |
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Die Bezeichnung LabWindows ist lizenziert von der Microsoft Corporation. Windows ist ein in den USA und anderen Ländern eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corporation.
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