Intelligenter Motor-Controller

Am Very Large Telescope (VLT) der Europäische Südsternwarte (ESO) existiert eine große Anzahl an beweglichen Achsen. Um den Aufwand für die Ansteuerung und Integration der diversen Achstypen gering zu halten, wurde ein flexibles, aber standardisiertes Motormodul mit Zusatzperipherie gefordert.

Solch ein Modul war auf dem Markt nicht erhältlich. Daher hat ESO den RMC Motor Controller entwickeln lassen. Der Beitrag von 4D Engineering besteht in der Konzeption, Entwicklung von Elektronik und Software bis zum Prototypenstadium, sowie Integration in die Softwareumgebung am VLT.

Das VLT Control System ist zum einen stark verteilt und zum anderen schichtenartig aufgebaut. Auf oberster Ebene dient eine Reihe vernetzter UNIX Workstations als Träger für die Applikationssoftware, d.h. Koordination, Beobachtungsvorbereitung und -durchführung, Benutzeroberflächen, Datentransfer und -archivierung, usw. Aus mittlerer Ebene kontrollieren viele dedizierte VMEbus-Systeme jeweils ein Subsystem aus diversen Hardwarekomponenten, wozu auch die Achsen, Antriebe und Motorsteuerungen gehören.

Auf diesen sogenannten Local Control Units (LCUs) laufen unter dem Echtzeitbetriebssystem VxWorks die entsprechende Low Level Software und Gerätetreiber. Mit der Anwendungssoftware kommuniziert eine LCU über TCP/IP auf Ethernet. Falls die Subsysteme aufgrund ihrer Komplexität ihrerseits mikroprozessorgesteuert sind - wie das beim RMC der Fall ist - so werden diese als Target Micro Controllers (TMC) bezeichnet. Ein TMC wird stets von einer übergeordneten LCU kontrolliert und ist mit dieser in der Regel über einen Feldbus verbunden. In diese Systemumgebung ist das RMC-Konzept als TMC integriert.

Das grundlegende Designkonzept des RMC ist die Ansteuerung diverser Achsen, wie Filterräder, Shutter, justierbare Spiegel, Fokussiereinheiten, mechanische Instrumentenkomponenten, usw. in einer trotz ihrer Vielfalt standardisierten Weise. Die Kontrolle der Achsen erfolgt vertikal durch die Systemhierarchie von der Applikationssoftware über die LCUs bis zum integrierten Mikroprozessor programmatisch. Zudem wurde bei der Konzeption größte Sorgfalt auf die Anforderungen der beobachtenden Astronomie bzgl. Umgebungsbedingungen, thermischer Leistungsabgabe, Vibrationen, usw. gelegt.

Ein Remote Motor Controller ist jeweils in der Nähe seiner Antriebe angebracht und wird von der zugehörigen LCU über CAN-Bus und CANopen angesprochen. Als Basis für die Ansteuerung über CANopen dient das Device Profile 402 für Intelligente Antriebe, das um die Spezialfunktionen des RMC erweitert wurde. Unterstützt werden die Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentmodi aus dem Device Profile 402. Ein Remote Motor Controller besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten:

Die Konfiguration des Motor-Moduls wird automatisch von der Steuerungssoftware erkannt, daher sind keine Einstellungen an der Hardware außer der CAN ID und der Stromgrenze nötig. Aufgrund des Einsatzes des Moduls in der Nähe von empfindlichen optischen und elektronischen Messapparaturen, musste die thermische und elektronische Abstrahlung möglichst gering gehalten werden. In den Steppermotor-Treiber ist dazu ein linearer Modus mit einer zweiten, geringeren Spannung integriert, um Störungen durch die PWM zu vermeiden. Ein ASIC zur Auswertung verschiedener Encoderprotokolle ist auf dem Basisboard integriert. Dieses unterstützt Endat-, Incremental- und SSI-Encoder.

Im Positionsmodus kann wahlweise mit Kurven zweiter oder dritter Ordnung gefahren werden. Die Motorregler sind als kaskadierte Positions- und Geschwindigkeitsreglung ausgelegt. Dabei kann entweder ein PID-Regler oder ein Polynominalregler aktiviert werden. Alle Algorithmen sind in Floating Point ausgeführt. Für die schnellen Regelungsaufgaben wie Schrittund PWM-Generierung sowie Schrittzähler wurde umfangreicher Gerbrauch von den hardwareunterstützten Motorsteuerungsfunktionen des Modular IO Systems (MIOS) auf dem MPC555 gemacht. Komplettentwicklung von 4D Engineering Der Beitrag von 4D Engineering besteht in der Konzeption, Softwareentwicklung und Generalunternehmerschaft bei der Hardwareentwicklung des RMC bis zum Prototypenstadium, sowie Integration in die Softwareumgebung am VLT. Durch die Verwendung des standardisierten CANopen Protokolls und des genormten Profils konnte die Integration in die bestehende LCUSoftware schnell und einfach realisiert werden. Selbstverständlich sorgt 4D Engineering auch für Schulung und Support für die RMC-Systeme.