EMC für Servomotoren mit Geckodrive

Servocontroller inkl. Endstufe sind recht teuer. Typischerweise zahlt man für 3 Achsen 1500 Euro aufwärts. Eine kostengünstige Alternative sind die [http://www.geckodrive.com Geckodrives G320]. Diese Module beinhalten eine komplette Motorregelung und werden wie Schrittmotoren angesteuert. Mit Geckodrives kann man also 3 Achsen regeln und zahlt dafür etwa 350 Euro.

Technisch ist das einerseits ziemlich unrund: Einerseits hat man EMC, welches eigentlich für Servo-Systeme entwickelt wurde und einen kompletten Regler beinhaltet. Dieses wird dann über einen simulierten Regelkreis als Schrittmotorsteuerung verwendet um dann extern wieder Controller anzusteuern, die so tun, als wären sie Schrittmotoren, in Wirklichkeit aber Servomotoren regeln.

Trotzdem hat diese verworrene Sache einen großen Vorteil: Die Takt/Richtung-Schnittstelle für Schrittmotorenendstufen ist sozusagen ein Standard. Viele Schrittmotorendstufen arbeiten mit diesen beiden Signalen. Und somit gibt es auch jede Menge Software, die Takt/Richtung produziert. All diese Software kann man nun auch für Servomotoren nutzen, wenn man einen Controller hat, der damit Servos regelt. Ein weiterer Vorteil: Man braucht nur 2 Signale pro Motor, die vom PC zum Controller gehen.

Geckodrives eignen sich auch gut, um ein Schrittmotorsystem auf Servo umzustellen. Die Software kann genauso weitergenutzt werden, nur den Schrittmotor tauscht man durch Servo+Geckodrive aus.

So macht man das dann auch bei EMC. EMC wird z.B. mit freqmod betrieben, so getunt, dass Schrittmotoren damit gut laufen.

Wieviel Schritte hat nun das neue Servosystem pro Umdrehung? Dies wird festgelegt durch den verwendeten Encoder. Counts Encoder x 4 ist die Formel. Hat man also einen 500 Counts/Rev Encoder, benötigt man 2000 Steps pro Umdrehung.

Hier könnte es einen Engpass geben. Wenn man nämlich die recht verbreiteten 500er Encoder nimmt, von einer maximalen Ausgabefrequenz bei EMC von 20000 Hertz ausgeht, schafft man maximal 10 Umdrehungen pro Sekunde. Das sind gerade mal 600 Umdrehungen pro Minute. Die meisten Servos arbeiten jedoch mit 3000-6000 Umdrehungen pro Minute. Encoder sollten jedoch auch eine gewisse Auflösung haben, damit die Positioniergenauigkeit gewährleistet ist. Weit unter 200 sollte man bei den meisten CNC Anwendungen nicht gehen (insofern man den Motor ohne Getriebe verwendet). Man setzt ja meist auch Schrittmotoren mit 200 Steps/Rev ein, betreibt diese dann aber auch meist zumindest im Halbschritt, was 400 Steps/Rev entspricht. Untersetzt man den Motor entsprechend, können auch Encoder mit weniger Counts sinnvoll sein. Jedoch gibt es auch hier wieder eine Grenze: Geckodrive schreibt, Encoder mit mindestens 200 Counts/Rev einzusetzen, wahrscheinlich um ein sauberes Regeln zu gewährleisten. Ob es auch mit weniger Counts/Rev klappt, hierzu gibt es noch keine Erfahrungen.

Eine Möglichkeit, diesen Engpass zu lösen besteht darin, die Encoder auf die Gewinde-Spindeln einer CNC-Fräse anstatt direkt auf den Motor zu bauen. Erfahrungen mit dem dann entstehenden Regelverhalten gibt es noch nicht.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Schrittfrequenz-Multiplizierern. Hier stellt ebenfalls die Firma Geckodrive den G901 her, der maximal die Taktfrequenz verzehnfachen kann. Für diesen Zweck wird im übrigen auch ein PID-Regler verwendet. Wer hat praktische Erfahrungen damit?

Mit dem G340 Servoregler von Geckodrive ist das Problem auf direktere Weise gelöst - es besitzt bereits einen Frequenzmultiplizierer.

Ansonsten lassen sich Servosysteme mit Geckodrives und EMC recht schnell und unproblematisch in Betrieb nehmen. Zum experimentieren reichen auch kleine Servomotoren mit Encoder, die man öfters günstig über Ebay ersteigern kann (10-50 Euro). Man muss darauf achten, Encoder zu verwenden, die ein 2-phasiges TTL-Signal ausgeben. Das tun die meisten Encoder, wie z.B. die HEDS-5500er Serie von HP bzw. Agilent. Daneben gibt es jedoch auch Encoder mit RS485 Differenzialsignalen, die man nicht ohne Zusatzelektronik nutzen kann.

Wichtig ist, dass die optoentkoppelten Eingänge des Geckodrives nicht gegen Masse sondern gegen +5V arbeiten. Benötigt man die Optoentkopplung, muss man sich eine +5V Leitung aus dem Computer ziehen, z.B. vom Game-, USB-, Tastatur- oder Mausport. (Braucht man keine Optoentkopplung, legt man den Common-Pin des Eingangs einfach auf ENC+ und brückt ENC- bzw. Betriebs-Spannungsmasse des Geckos mit der Computermasse. Hierbei muss man natürlich auf sinnvolle Masseführung achten.)

Der Regler im Gecko arbeitet übrigens analog und nicht über einen Microcontroller. Einen Microcontroller sucht man vergeblich. Die Schaltung besteht nur aus ein paar digitalen Standard-IC's (Zähler, Addierer, Flip-Flops, Schmitt-Trigger-Nand-Gatter), OPV's, DA-Wandlern und einer Hand voll passiver Bauteile. Bei diesem Regler lassen sich P und D über Potis einstellen, I ist dagegen festgelegt.

Mit einem weiteren Poti kann man den maximalen Motorstrom einstellen, der bis 20 A betragen kann.

Wichtig ist, dass ein Following Error auftritt, sobald die Encoderposition 128 Schritte außerhalb des Sollwertes liegt. In diesem Fall schaltet der Gecko ab und muss durch einen Reset erneut gestartet werden. Wer sehr hoch auflösende Encoder einsetzt, könnte damit Probleme bekommen, weil dann geringe Winkelabweichungen schon zu Following Errors führen. Bei einem 500er Encoder sind es um die 90 Grad, was zu keinen Problemen führen sollte.

Gibt es eine Bezugsquelle für Geckos in Deutschland? Soweit bekannt, bisher nicht. Man kann jedoch recht unproblematisch direkt in USA bestellen. Nach etwa 5-10 Tagen sind die Teile in Deutschland. Allerdings muss man auf die Teile noch 13.5% Zoll bezahlen.

Gibt es etwas ähnliches wie Geckos in Deutschland? Mittlerweile bieten viele Servo-Controller Hersteller ihre Regelungen auch mit Clock/Direction Inputs an. Diese Möglichkeit findet man öfters nur versteckt, sie wird nicht groß beworben. Allerdings scheint es derzeit in Deutschland nichts zu diesem Preis zu geben. Hier muss man mindestens doppelt bis dreimal soviel hinlegen.

Gibt es weltweit eine Alternative zu Geckos? Ja, die Firma [http://www.rutex.com Rutex] produziert ganz ähnliche Module. Hat jemand Erfahrungen im Zusammenhang mit EMC?