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Bild 1: Rechenintensive FOC-Funktionen werden von der TMPM37x CPU ausgelagert.
Bild 2: Das CPU-Board und Leistungselektronik-Board des Antriebselektronik-Starterkits.
Bild 3: Starterkit-GUI für die Motorkonfiguration und Überwachung.

Feldorientierte Regelung (FOC) von BLDCs

Bürstenlose Gleichstrommotoren mit feldorientierter Regelung sind in neuen Anwendungen immer häufiger erste Wahl, da sie eine hohe Energieeffizienz bieten. Es gibt aber noch weitere Lösungen: Antriebselektronik-Plattformen, die dies ermöglichen, bieten Entwicklern zusätzliche Flexibilität, die Vorteile neuester Mikrocontroller-Architekturen zu nutzen, ohne dabei auf frühere Investitionen in Motorsteuerungs-Software oder das Leistungselektronikdesign verzichten zu müssen.

Entwickler verschiedener Anwendungen, von industriellen Gebläsen, Pumpen und Kompressoren bis hin zu Weißer Ware wie Kühlschränken oder Waschmaschinen, entscheiden sich zunehmend für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC). Im Vergleich zu herkömmlichen Wechselstrom-Induktionsmotoren bieten BLDC-Motoren Vorteile wie eine höhere Energieeffizienz und ein konstantes Drehmoment über einen größeren Drehzahlbereich. Geräteentwickler können somit leisere Produkte fertigen, die energieeffizienter und leistungsfähiger sind und neue Funktionen sowie Betriebsmodi unterstützen. BLDC-Motoren bieten in Bezug auf ihre Nennleistung auch eine kleinere Baugröße. Durch das zunehmende Interesse werden BLDC-Motoren außerdem immer wettbewerbsfähiger hinsichtlich ihres Preises.

Im Vergleich zu DC-Motoren mit Bürsten verursachen bürstenlose Modelle weniger elektrische Störungen und sind laufruhiger. Sie sind damit weniger wartungsanfällig, was ein entscheidender Vorteil in einigen industriellen Anwendungen ist, wo eine Inspektion bzw. der Zugriff auf den Motor schwierig und teuer erscheint, wenn beispielsweise die Bürsten ausgetauscht werden müssen.

Anforderungen an die Antriebselektronik

Die elektronische Kommutierung eines bürstenlosen Motors erfolgt über eine aufeinanderfolgende Bestromung der Statorspulen – abhängig von der Rotorposition. Die Antriebselektronik, die diesen Vorgang steuert, kann auch die Drehzahl und das Drehmoment des Motors regeln, indem die zugeführten Spannungs- und Stromsignale verändert werden. Entwickler haben die Wahl zwischen Hall-Sensoren zur Erfassung der Rotorposition oder einem sensorlosen Ansatz, der die Rotorposition auf der Basis der Gegen-EMK-Messung berechnet. Die sensorlose Regelung spart die Kosten des Hall-Sensors und der zugehörigen Verbindungen und erhöht die Systemzuverlässigkeit, da weniger Bauteile erforderlich sind.

In einem BLDC hängt die Rotordrehzahl von der Größe der angelegten Spannung ab. Daher erlaubt die Anpassung der durchschnittlichen Spannung mittels PWM eine Drehzahlregelung. Das maximale Drehmoment hängt von festen Motorparametern ab, zum Beispiel von den Rotorabmessungen und der Anzahl der Statorwicklungen, sowie vom Strom, der durch den Stator fließt. Da die vom Motor aufgenommene Leistung das Produkt aus Spannung und Strom ist, verbraucht der Motor weniger Leistung bei niedriger Drehzahl, liefert aber weiterhin das Nenndrehmoment bis zu seiner Nenndrehzahl.

Um das optimale Drehmoment zu liefern, muss das Statorfeld um 90° versetzt (in Quadratur) zum Rotorfeld sein. Die Motorsteuerung muss daher die entsprechende Stator-Signalform in Bezug auf die Rotorposition generieren. Dies wird bei höheren Drehzahlen zu einer Herausforderung, da jede Verzögerung des Signals eine Feldkomponente erzeugt, die direkt auf den Rotor einwirkt. Diese „direkten“ Komponenten verringern das nutzbare Drehmoment, erhöhen den Verschleiß der Rotorlager und erhöhen den Geräuschpegel.

Vektorsteuerung oder feldorientierte Regelung (FOC) wird immer beliebter bei der Erzeugung der gewünschten Stator-Signalformen in Echtzeit. Damit lässt sich die bestmögliche Drehmoment-Kennlinie über einen weiten Drehzahlbereich erzielen. FOC erübrigt auch die Bandbreitenbegrenzungen herkömmlicher, sinusförmiger Ansteuerungstechniken, indem die abgetasteten Statorströme 90° verschoben zum Rotor mit Direktvektoren umgewandelt werden und der Direktvektor mit Null verglichen wird. Die Ergebnisse werden dann in die Statordomäne zurückgewandelt, um die gewünschten PWM-Steuersignale zu erzeugen.

Als FOC erstmals als kommerzielle Antriebssteuerungstechnik eingeführt wurde, haben Entwickler von Antriebssteuerungen, Anbieter von Motorsteuerungs-ICs und Drittanbieter umfangreiches Wissen in Form von Software, Hardware oder Firmware-basierten Algorithmen bereitgestellt. Entwicklern von Antriebssteuerungen oder Geräten stehen daher zahlreiche Möglichkeiten offen, drehzahlgeregelte BLDC-Antriebe mittels FOC zu implementieren. Zukünftig wird sich der Fortschritt durch eine Maximierung des Werts bestehender Investitionen in FOC-Software ausdrücken. Gleichzeitig werden neue Techniken genutzt, um die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad zu erhöhen sowie die Kosten und die Markteinführungsdauer zu verringern.

Migration in Hardware

Bemühungen, die Leistungsfähigkeit der Anwendungen sowie die Energieeffizienz zu erhöhen, führten dazu, dass bei der Entwicklung der Antriebselektronik von einer vollständigen Ausführung der FOC in Software immer mehr abgesehen wird. Dies würde zu viele wertvolle CPU-Ressourcen und hohe Taktfrequenzen erfordern. Der Trend geht hin zu einer Hardware-basierten Implementierung. Dabei wird die CPU von den rechenintensiven Aspekten der FOC entlastet und kann sich den anwendungsbedingten Funktionen wie der Veränderung der Rotorpositionssignale und der Generierung der Drehzahlbefehle widmen. Entwicklern steht somit mehr Spielraum zur Verfügung, die Core-Betriebsfrequenz und damit auch den Stromverbrauch oder die Thermal-Design-Anforderungen zu verringern. Die MCU lässt sich dann auch für zusätzliche Funktionen auf Applikationsebene, zum Beispiel zur Ansteuerung von Benutzerschnittstellen, verwenden.

Dennoch können Entwickler, die bereits über ihre eigenen FOC-Software-Algorithmen verfügen, aus bestimmten Gründen ihr Wissen weiter verwenden. Die neueste Generation hochleistungsfähiger Prozessoren, wie der 32 Bit ARM Cortex M3, bietet Entwicklern eine kosteneffiziente Plattform, auf der eine rein Software-basierte FOC gehostet werden kann. Mikrocontroller für Antriebssteuerungen, wie beispielsweise Toshibas TMPM37x-Familie, bieten eine ausreichende FOC-Performance für viele Haushaltsgeräte und industrielle Einrichtungen.

Eigenes Know-how erhalten

Die Architektur der TMPM37x-MCU bietet den Entwicklern die Wahl, ob sie ihr eigenes Know-how verwenden wollen oder die Hardware-Beschleunigungsfunktion von Toshiba. Diese Flexibilität wird durch getrennte Programmable Motor Drive (PMD) und Vektor-Engine (VE) Softwareblöcke ermöglicht, um einen 3-Phasen-BLDC-Motor anzusteuern (Bild 1). Toshibas Firmware-ähnlicher Ansatz zur Implementierung von PMD und VE ermöglicht es den Entwicklern, ihr eigenes Wissen dort einzusetzen, wo dies bevorzugt wird – ohne dabei unerwünschte Zusatzkosten durch ungenutzte MCU-Hardware-Ressourcen zu verursachen.

Der TMPM37x-PMD-Block enthält einen 3-Phasen-PWM-Generator, Totzeit-Controller, Schutzschaltkreise und ein ADC-Timing-Netzwerk. Falls erforderlich, können Entwickler die Funktionen des PMD-Blocks frei mit jeder proprietären Motorsteuerungssoftware kombinieren.

Alternativ arbeitet Toshibas Vektor-Engine zusammen mit den PMD-Funktionen und agiert als Coprozessor zur Entlastung der Haupt-CPU. Innerhalb der VE handhaben ein Scheduler zur Event- und Prioritätssteuerung, ein Rechenkern und Dekoder, eine Steuereinheit, eine Multiply-Accumulate-Einheit (MAC-Einheit) und Vektorsteuerungsmodule den 3-Phasen-Stromeingang von den A/D-Wandlern der MCU und führen den FOC-Algorithmus aus.

Werden PMD und VE zusammen verwendet, sind nur ein paar Registereinstellungen erforderlich, um alle Motorsteuerungsfunktionen zu verwalten, einschließlich 3-Phasen-PWM-Signalerstellung mit 16 Bit Auflösung, Drehzahlregelung und Positionsbestimmung. Im Vergleich zu einer Software-basierten FOC, bei der die CPU Daten bei jeder PWM-Periode generieren muss, verringert dieser Ansatz die Prozessorlast auf eine Berechnung bei jeder Rotorpositionsbestimmung, d.h. nur noch in 60°-Intervallen. Die TMPM37x-MCU enthält auch einen 12-Bit-AD-Wandler für eine schnelle, PWM-synchronisierte A/D-Wandlung sowie einen Komparator zum Erkennen von Notstopp-Bedingungen.

Schnellere Entwicklung

Um Entwickler von Antriebssteuerungen die Arbeit zu erleichtern und Anwendungen auf Basis der TMPM37x-Serie schneller auf den Markt zu bringen, bietet Toshibas Starterkit TMPM370STK ein komplettes Board mit TMPM374-MCU. Die Beschaltung des Boards stellt PWM-Ausgangssignale und andere Steuersignale an einem Steckverbinder bereit, über den ein getrenntes Leistungselektronik-Board angeschlossen werden kann. Anwender können damit bei Bedarf ihre eigene Leistungsstufe verwenden. Ein Leistungselektronik-Board von Toshiba steht als Teil des Kits ebenfalls zur Verfügung (Bild 2).

Das MCU-Board bietet eine USB-Verbindung zum Host-PC und kann mit einer der zahlreich vorhandenen integrierten Entwicklungsumgebungen (IDE) benutzt werden, zum Beispiel Keil MDK mit ìVision IDE/Debugger, IAR Kickstart Edition oder Atollic TrueStudio Lite.

Das TMPM37x-Starterkit enthält auch eine PC-basierte Anwendung mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) zur Motorregelung. Die GUI ist ein intuitives Tool zur Konfiguration der Motorparameter und der Drehzahl sowie zur Überwachung des Status in Echtzeit. Dazu dient ein Grafikdisplay, das die Zieldrehzahl, aktuelle Drehzahl und das Drehmoment anzeigt (Bild 3). Es enthält auch ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) mit erweiterten Trigger-Einstellungen. Das Kit kann zusammen mit Online-Ressourcen wie einer Start-up-Anleitung zur detaillierten Software- und Hardware-Einrichtung, Beispiel-Applikationen und -Code sowie kurzen Applikationsbeschreibungen verwendet werden, beispielsweise wie man einen Hall-Sensor anschließt. Schaltpläne für Baugruppen wie das CPU-Board und das Leistungselektronik-Modul stehen ebenfalls zur Verfügung und helfen dabei, den Projektablauf zu vereinfachen und zu straffen.