EPOS4 / IDX : conception de la commande, modes de fonctionnement et taux de cycle du bus

Sujets :

• Quel mode de fonctionnement doit être choisi par l'EPOS4 ou l'IDX ?
• Quelle est la différence entre les modes de fonctionnement « Cyclique » et « Profil » ?
• Pourquoi un contrôleur principal est-il nécessaire et quelles sont ses tâches ?
• Que signifie « temps réel » ?

Réponses et contexte technique :

Toutes les informations ci-dessous sont valables pour tous les types de produits EPOS4 et les types de produits IDX spécifiques avec CAN ou EtherCAT, bien que seul EPOS4 soit mentionné.

I.) EPOS4 autonome -> Non !

I.1.) EPOS4 = appareil esclave CiA 402

L'EPOS4 est un « esclave de contrôle de mouvement » CANopen ou EtherCAT basé sur le standard « CAN in Automation » CiA 402 « Device profile for drives and motion control ». La conception d'un tel système nécessite un contrôleur maître subordonné qui commande le(s) contrôleur(s) de moteur conformément à la norme CiA 402.

I.2.) Tâches du contrôleur principal

Le contrôleur principal (appelé Master) traite le programme de contrôle superordonné qui envoie des commandes de mouvement à chaque contrôleur de moteur (EPOS4). Les commandes transmises peuvent être basées sur les signaux des capteurs, les étapes d'action suivantes ou les états du système traités par le maître. Le maître reçoit et vérifie également les données relatives à l'entraînement (par exemple, la position, la vitesse, le couple) fournies par chaque contrôleur de moteur.
Le maître est chargé d'assurer la fonctionnalité requise d'une machine ou d'un outil manuel et fait souvent office d'interface utilisateur. Une interface de bus telle que RS232, USB, CAN ou EtherCAT est le lien de communication entre le contrôleur maître et tous les esclaves (par exemple, les contrôleurs de moteur).

• Le choix de l'interface de bus (USB, RS232, CAN ou EtherCAT) dépend des exigences de l'application et du système, en particulier en ce qui concerne les performances requises en matière d'échange de données.
• L'EPOS4 peut échanger des données très rapidement, à une vitesse inférieure à 1 ms, par CAN ou EtherCAT.
• Dans le cas d'un échange de données cyclique rapide de l'ordre de 1 ... 10 ms, on parle généralement d'une exigence de « temps réel ».
• Dans le cas d'une exigence « temps réel », il est nécessaire d'utiliser CAN ou EtherCAT comme interface de bus, mais aussi d'utiliser un contrôleur maître capable de fonctionner en « temps réel » (comme un API ou le MasterMACS de Maxon). Un simple maître basé sur un système d'exploitation Windows ou Linux n'est pas suffisant dans ce cas.
• Les contrôleurs principaux en temps réel traitent souvent ce que l'on appelle la génération de trajectoires (= profilage de mouvement) pour plusieurs axes et commandent le(s) contrôleur(s) de moteur par des données cibles mises à jour de manière cyclique. Ces données sont utilisées comme valeurs de consigne par la boucle de contrôle de la position, de la vitesse ou du courant des contrôleurs de moteur (EPOS4).

I.3) Conclusion

• EPOS4 (comme tous les esclaves CiA402) a toujours besoin d'un contrôleur maître.
• Les performances requises, la fonctionnalité, l'interface de bus et la caractéristique « temps réel » d'un contrôleur maître (ou sa sélection) dépendent toujours des exigences de l'application concrète et de la conception du système.

II.) Sélection d'un contrôleur principal et du mode de fonctionnement de l'EPOS4 ?

II.1.) EPOS4 exploité en mode de fonctionnement "profile"

S'il n'y a qu'un seul variateur présent ou si les profils de mouvement d'un système à axes multiples sont presque indépendants les uns des autres, l'EPOS4 est souvent utilisé en mode « PPM - Profile Position Mode » (ou « PVM - Profile Velocity Mode »).

• Dans le cas d'un mode de fonctionnement « Profil » (PPM, PVM, HM), l'EPOS4 traite la génération de la trajectoire, le contrôle de la position et de la vitesse, et le contrôle du courant de manière autonome sur la base de l'« accélération du profil », de la « décélération du profil », de la « vitesse du profil » et de la « position cible » (et de la « vitesse cible ») fournies.
• Le programme d'application du contrôleur principal définit ces paramètres de mouvement de l'EPOS4 et démarre ou arrête le mouvement par une commande.
• L'EPOS4 calcule lui-même les valeurs de position intermédiaires dans le mouvement profilé sur la base des paramètres de mouvement configurés à chaque cycle de contrôle de la position (c'est-à-dire toutes les 0,4 ms).
• Un simple maître comme un PC, un Raspberry Pi ou un microcontrôleur (et un code d'application écrit en C, C++, C# ou Python) peut effectuer ce travail tant qu'il n'y a pas d'exigences supplémentaires en temps réel (par exemple, l'échange de données et le calcul de nombres toutes les quelques ms) présentes dans une application.
• Restriction :
• Si un contrôleur maître doit être capable de fonctionner en temps réel (en raison d'un échange de données rapide), il est nécessaire de disposer d'une interface CANopen ou EtherCAT pour transmettre des données par le biais de PDO SYNC. Les codes d'application basés sur la « Bibliothèque de commandes EPOS » de maxon ou les VIs LabView de maxon ne supportent aucun échange de données PDO et ne peuvent( !) répondre à aucune exigence de temps réel (indépendamment de l'interface utilisée).
• Vous trouverez de plus amples informations sur les taux d'échange de données de la « EPOS Command Library » dans le document suivant du Support Center :
• -> Bibliothèque de commande EPOS : Taux d'échange de données ?

II.2.) EPOS4 utilisé en mode « cyclique » ou échange de données rapide

Dans le cas de systèmes multi-axes qui exigent des mouvements coordonnés ou même synchronisés (par exemple, différentes articulations robotiques), il est nécessaire d'avoir un maître « en temps réel » qui commande les contrôleurs de moteur (par exemple, EPOS4). Ce maître « en temps réel » calcule la trajectoire du mouvement (= « génération de trajectoire ») pour tous les axes afin d'assurer un mouvement coordonné en tenant compte de toutes les dépendances entre les différents entraînements. Le maître transmet la position cible, la vitesse ou les valeurs de consigne actuelles actualisées à un rythme cyclique rapide et prévisible (typ. 1 ms) aux contrôleurs de moteur (EPOS4). Ces valeurs de consigne actualisées sont directement intégrées dans les boucles de contrôle du contrôleur de moteur dans le cas des modes de fonctionnement « cycliques » (CSP, CSV, CST). Un cycle de bus précis est une condition préalable à toute commande et à tout fonctionnement harmonieux du moteur. L'EPOS4 peut fournir de nombreuses données de processus et d'entraînement différentes (par exemple, la position réelle, la vitesse, le courant du moteur) au maître au cours de chaque cycle de bus également.

• Si le maître doit établir un profil de mouvement dans le cas d'une application à un ou plusieurs axes, il est nécessaire d'avoir un maître « en temps réel ». Cela signifie généralement l'utilisation d'un automate programmable ou des contrôleurs MACS de maxon en tant que contrôleur maître superordonné. Le profilage du mouvement, la commande multi-axes ou la synchronisation sont traités par le programme d'application du maître basé sur une bibliothèque NC ou Softmotion.
• L'EPOS4 est généralement utilisé dans l'un des modes de fonctionnement « cyclique », principalement le mode « CSP - Cyclic Synchronous Position ». En mode CSP, l'EPOS4 doit s'appuyer sur un maître en temps réel qui transmet des données de « position cible » mises à jour à un rythme précis et cyclique (typ. toutes les 1 ms).

II.3) Tâches d'un maître en fonction du mode de fonctionnement du contrôleur de moteur

Vous trouverez ci-joint une présentation (sous forme de tableaux et de documents) expliquant les différents modes de fonctionnement de l'EPOS4 et les tâches partagées entre le maître et l'EPOS4 (ou tout autre contrôleur de moteur basé sur le CiA 402).

III.) Taux de cycle du bus

L'EPOS4 offre des taux de cycle de bus CAN ou EtherCAT de maximum 1 kHz. Bien que le temps de cycle du bus le plus court de 1 ms qui en résulte soit supérieur au temps de cycle du contrôle de position de 0,4 ms (égal à 2,5 kHz), cela ne présente aucun inconvénient dans la pratique. Il existe une « règle empirique » bien connue selon laquelle le temps de cycle des boucles de contrôle subordonnées (= EPOS4) doit être égal ou plus rapide que le temps de cycle du contrôle ou du bus de son système supérieur (= maître). Cette exigence est remplie dans le cas d'un temps de cycle de bus de 1 ms et d'un temps de cycle de contrôle de position de l'EPOS4 de 0,4 ms. Des milliers d'applications différentes de l'EPOS4 l'ont prouvé dans l'industrie. La structure de contrôle interne de l'EPOS4 suit également la « règle empirique » et est basée sur un taux de boucle de contrôle de courant subordonné de 25 kHz (= 0,04 ms) qui est dix fois plus rapide que la boucle de contrôle de position (de 2,5 kHz).

• • Un taux de bus de 1 kHz est plus que suffisant pour la plupart des applications.
  • En particulier dans le cas de systèmes multi-axes ou de commandes de machines complexes, même un maître « en temps réel » (par exemple un automate programmable) peut être limité par la répartition de sa puissance de traitement entre différentes tâches. Enfin, cela peut se traduire par le fait que le maître ne transmet que des données actualisées à un temps de cycle de bus inférieur à 1 ms. Très souvent, le temps de cycle du bus du maître peut être de 2 ms, 4 ms ou, dans le pire des cas, jusqu'à 10 ms.
  • L'EPOS4 peut s'adapter à des temps de cycle de bus inférieurs à 1 ms. En cas de mode CSP ou CSV, l'EPOS4 procède à une interpolation entre les valeurs cibles mises à jour cycliquement par le maître afin de fournir des valeurs de consigne intermédiaires parfaites pour les temps de cycle plus courts des boucles de contrôle. Cette interpolation est basée sur la valeur configurée de l'objet « Interpolation time period » (0x60C2/01) et repose sur un timing SYNC précis du maître (= temps de cycle du bus) correspondant à la valeur configurée de l'EPOS4.

Résumé général

En fin de compte, tout dépend des exigences d'une application...

• ... de la conception du système et de la structure du contrôleur nécessaires...
• ... quels composants d'entraînement, contrôleurs et interfaces de bus doivent être utilisés pour obtenir les meilleurs résultats.

Cas 1 :

Si le profil de mouvement d'une unité d'entraînement peut être traité par l'EPOS4 demanière autonome sur la base de certaines données d'accélération, de vitesse cible et de position cible configurées (sans nécessiter d'interaction périodique rapide ou d'échange d'informations par un maître), ...

• ... un PC, un Raspberry Pi ou la plupart des microcontrôleurs peuvent agir en tant que contrôleur maître qui configure et démarre le prochain mouvement de l'EPOS4.
• ... une interface USB, RS232 ou CAN est souvent utilisée.
• ... le programme d'application peut être basé sur la « bibliothèque de commandes EPOS » de maxon (traitée par un PC ou un Raspberry Pi).
• La « bibliothèque de commandes EPOS » offre une API (= « Application Programming Interface ») simple pour la plupart des tâches de contrôle de mouvement et des modes de fonctionnement. Aucune connaissance ou expérience de la norme CiA 402 ou du protocole de bus n'est requise.
• ... il y aura typiquement « PPM - Profile Position Mode “ et ”HM - Homing Mode » utilisés pour commander l'EPOS4.

Cas 2 :

Si un échange de données déterministe cyclique rapide (toutes les 1 ... 10 ms) ou une sorte de commande et de contrôle coordonnés ou synchronisés de plusieurs axes (par exemple, d'une machine ou d'un robot) est nécessaire, ...

• ... l'utilisation d'un maître « temps réel » subordonné (par exemple, PLC ou contrôleurs MACS de Maxon) est obligatoire.
• Il est avantageux que le fournisseur du maître fournisse également une bibliothèque de commande numérique ou de contrôle de mouvement pour commander les contrôleurs de moteur sur la base de la norme CiA 402.
• ... une interface CAN ou EtherCAT doit être utilisée, mais pas ( !) USB ou RS232.
• ... un des modes de fonctionnement « cyclique » (CSP, CSV, CST) est généralement utilisé - principalement le mode « CSP - Cyclic Synchronous Position » (position synchrone cyclique).
• Le maître « en temps réel » calcule la trajectoire du mouvement (= « générateur de trajectoire ») et transmet des données de position cible actualisées à l'EPOS4 sur la base d'un échange de données cyclique par CAN ou EtherCAT.
• ... des connaissances de base sur la commande de contrôle de mouvement basée sur la norme CiA 402 sont nécessaires.

Remarque supplémentaire :

maxon ne peut pas proposer de formation à la programmation par le biais d'un support pour la grande variété de systèmes maîtres, de microcontrôleurs et d'IDE (= « Integrated Development Environments ») spécifiques correspondants.