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Board statt Eigenentwicklung

Entwickler setzen meist SBCs (Single Board Computer) ein, wenn Prozessorleistung gefragt ist. Mit dem EPC Board EXTB03-IRF-ASYM_150W erhalten sie im Bereich Home Automation ebenfalls eine System-Basis, um mit minimalem Bauteil- und Softwareaufwand einen lowcost FU nach eigenen Vorgaben zu entwickeln. Die in dieser Klasse meist verwendeten Interfaces UART und CAN sowie der neue Standard IO-Link sind im System integriert. Außerdem lässt sich der Antrieb über digitale I/O und analoge Sollwertvorgabe steuern.

Bild 1: Das Blockschaltbild des Boards EPC-EXTB03-IRF-ASYM_150W.

Bild 1: Das Blockschaltbild des Boards EPC-EXTB03-IRF-ASYM_150W.

Bild 1: Das EPC-Board enthält als  wesentlichen Bestandteil ein  Leistungsmodul für 600 V und 6 A.

Bild 1: Das EPC-Board enthält als wesentlichen Bestandteil ein Leistungsmodul für 600 V und 6 A.

Zu den Hardwaremerkmalen des kompakten Designs (Bild 1) mit einer minimalen Bauteilezahl zählt das Herzstück, der 32 Bit low cost Cortex M3 Prozessor mit seiner sehr hohen Rechenleistungsreserve. Wesentlich auch das integrierte, isoliertes 600 V / 6 A (3 A @ 100 °C) IGBT-Leistungsmodul mit Shunt, Temperaturmessung und Überstromschutz. Ebenso ist die Messung von Zwischenkreisspannung und -strom hardwaremäßig vorgesehen und für die Kommunikation stehen folgende isolierte Schnittstellen zur Verfügung: UART, CAN, IO-Link und analoger Sollwert.

Systemmerkmale der Software

Zur umfangreichen Softwareunterstützung zählen Motorcontrol-Softwareanpassung und der Support durch den EPC-Partnerfirma STL sowie die IO-Link Softwareanpassung und der Support durch die Firma TMG, die ebenfalls Partner beim EPC-Porgramm ist. Desweiteren werden geboten:
Leistungsfähige Parametrier- und Inbetriebnahme GUI „STL Drive Pad“ für uneingeschränkten Zugriff auf alle Systemparameter über UART und CAN Bus
IO-Link-Device-Funktionalität durch voll kompatiblen IO-Link Stack und „TMG Device Tool“ von TMG.
Der in der Boardsoftware verwendete f/u Algorithmus darf von Anwendern in eigenen Applikationen verwendet werden ohne dass z.B. Lizenzgebühren fällig werden. Durch Debugschnittstelle auf dem Board oder UART Bootloader ist außerdem die Verwendung komplett eigener Software uneingeschränkt möglich.

Die Hardware-Funktionsblöcke

Ausgehend vom Blockschaltbild (Bild 2) werden im Folgenden die Funktionsblöcke einzeln vorgestellt.

Bild 2: Schaltbild des EPC-EXTB03.

Bild 2: Schaltbild des EPC-EXTB03.

Funktionsblock 1: Das intelligente Leistungsmodul mit Analogsignalaufbereitung

Das verwendete IRAMS06UP60B-Leistungsmodul wurde für Anwendungen wie Pumpen, Kleinkompressoren und Ventilatoren optimiert, wie man sie etwa in Klima- und Heizungssystemen findet. Natürlich lassen sich die Vorteile dieses Moduls auch in vielen anderen Anwendungen nutzen. Da die IRAMS-Module einen weiten Leistungsbereich abdecken, lässt sich die vorliegende Schaltung leicht an den gewünschten Leistungsbedarf anpassen.
Das Modul bietet einen extrem kompakten 3-pasigen Motortreiber in einem einzigen isolierten Gehäuse. Dadurch wird der Aufbau einer Motorsteuerung erheblich vereinfacht. Abgesehen von der kleinen Bauform ergeben sich Vorteile beim EMV-Verhalten und der Zuverlässigkeit. Durch die hohe Integration und die daraus resultierenden kurzen internen Verbindungen der Leistungshalbleiter werden parasitäre Induktivitäten auf ein Minimum reduziert.

Optimiertes Schaltverhalten

Dies macht sich in der Anwendung durch optimaleres Schaltverhalten mit geringeren Schwingungen in den Schaltmomenten bemerkbar. Eine weitere bemerkenswerte Vereinfachung für den Aufbau der Gesamtschaltung ergibt sich durch die internen, optimal auf die IGBTs abgestimmten Gatetreiber sowie die bereits integrierten Bootstrapdioden. Um das Modul anzusteuern und zu kontrollieren reichen daher einfache Logiksignale aus.
Obwohl das Modul mit einer Logiksignalspannung von 3,0 V spezifiziert ist, wurde ein Levelshifter verwendet, der die 3,3-V-Ausgangssignale des Microcontrollers auf 5 V heraufsetzt. Der verwendete 74HCT14D ist zwar nur ein Centartikel, erhöht aber die Robustheit und Störsicherheit des Systems. Da die benötigten 5 V schon für die Versorgung des Interface Teiles der Schaltung zur Verfügung stehen, entsteht hier kein weiterer Aufwand.

Sicherheitsvorkehrungen

Zum Schutz des Moduls und des Systems sind mehrere Mechanismen eingebaut. Zur Messung des Moduleingangsstromes ist ein 50 mOhm Shunt bereits integriert. Die Shuntspannung wird einerseits in die integrierte Überstromschutzabschaltung geführt und sorgt für einen unabhängigen Eigenschutz des Moduls. Bei einem Eingangsstrom von > 10,5 A, der länger als 6 µs fließt, werden die Treiber abgeschaltet.
Andererseits wird der Messwert über einen Ausgangspin zugänglich gemacht um dem angeschlossenen Mikrocontroller als Regel- und Kontrollgröße zur Verfügung zu stehen. Um eine Ansteuerung der IGBTs mit einer zu geringen Gatespannung zu verhindern, wird die 15-V-Logikversorgungsspannung des Moduls überwacht. Sinkt die Spannung unter 10,4 V ab, werden die IGBT-Treiber abgeschaltet, und so eine Zerstörung der IGBTs durch den Betrieb im entsättigten Bereich verhindert.

Analogsignalaufbreitung

Auf dem EPC-EXTB03 wird die Shuntspannung über eine OP-Stufe auf den Messbreich des ADCs im Microcontroller normiert und gefiltert (MOT_CURR). Hier kommt ein Single Supplyvoltage OPA2340 zum Einsatz (Bild 3).

Bild 3: Analogsignalaufbereitung.

Bild 3: Analogsignalaufbereitung.

Neben einer niedrigen Temperaturdrift und guter Dynamik zeichnet er sich durch seinen Rail to Rail Input mit einem Common Mode Range von ±500 mV über der Versorgungsspannung, und seinem Rail to Rail Ausgang, der auf 1 mV an die Versorgungsspannung heranreicht, aus.
Der Übertemperaturschutz des Moduls wird mit dem integrierten NTC (Negativer Temperatur-Coeffizient) erreicht. Der NTC steht als Ausgangspin am Modul zur Verfügung. Er wird über einen einfachen Spannungsteiler mit RC-Glied direkt auf einen ADC Eingang des Microcontrollers geführt (DRV_TEMP). Zur Messung der Zwischenkreisspannung wird der Wert über einen geeigneten Spannungsteiler mit RC-Glied direkt auf einen ADC-Eingang des Microcontrollers geführt (BUS_VOLT).

Funktionsblock 2 : Der Mikrocontroller

Die Wahl eines 32-Bit-Mikrocontrollers, hier ein STM32F103, mag für ein lowcost System zunächst als eine Überdimensionierung erscheinen. Trotzdem spricht eine Menge dafür. Zum Einen ist der Preis in dieser Prozessorkategorie inzwischen vergleichbar mit dem von 8-Bit-Prozessoren mit ähnlicher Peripherie. Zum Anderen ist eine völlig neue Größenordnung an Rechenleistung verfügbar. Dadurch kann die CPU neben der reinen Motorsteuerung eine leistungsfähige Kommunikation und beispielsweise weitere Regelungs- und Steuerungsfunktionen übernehmen.
Die STM32 Familie eignet sich besonders gut für den Einsatz in Motorcontrol-Anwendungen, da sie über ein sehr leistungsfähiges PWM-Modul zur Gatesignalerzeugung, einen synchronisierbaren 12 bit ADC und die industrietypischen Schnittstellen wie CAN, U(S)ART, SPI, I2C und USB verfügt. ST Microelectronics stellt für die Prozessorfamilie ausserdem eine C-basierte Motorcontrol Library zur Verfügung. Die Software im Flash des Prozessors lässt sich über JTAG debuggen und Programmieren, allerdings ist hier Vorsicht geboten, da die JTAG Schnittstelle auf dem EPC-EXTB03 auf Netzpotential liegt. Darum darf das Board nur mit einem isolierten JTAG-Emulator verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung der isolierten UART, die per Bootloader einen Zugriff auf das Flash erlaubt.

Funktionsblock 3: Die interne Spannungsversorgung

Das System benötigt 15V für die Speisung des Leistungsmoduls, 5V für die isolierten Interfacetreiber und den Logiksignal Levelshifter sowie 3,3 V für den Microcontroller und die Analogsignalaufbereitung.
Dazu werden zunächst über einen Buckregler direkt aus der Zwischenkreisspannung UBUS 15V erzeugt (Bild 4).

Bild 4: 15-V-Erzeugung aus dem Netzzwischenkreis UBUS.

Bild 4: 15-V-Erzeugung aus dem Netzzwischenkreis UBUS.

Diese nicht isolierte Stufe basiert auf einem STM-Viper16-Baustein, der bereits einen 800V Mosfet beinhaltet. Da auf einen Flybacktransformator und Optokoppler verzichtet werden kann ergibt sich so eine sehr einfache, günstige und doch zuverlässige Spannungsversorgung.
Aus den 15 V werden mit dem getakteten Recom DCDC Modul R7805-0.5, und mit einem LP2950-3.3 die benötigten 5 V und 3,3 V erzeugt. Durch den hohen Wirkungsgrad des R7805-0.5 kann auf einen Kühlkörper verzichtet werden, so dass die gesamte Spannungsversorgung von Netzspannung auf Kleinspannung nur 28 x 32 mm² benötigt.

Funktionsblock 4: Schnittstellen

Um die Motorcontroleinheit in ein übergeordnetes System einzubinden, stehen neben der Möglichkeit einer analogen Sollwertvorgabe auch drei digitale Schnittstellen zur Verfügung: UART, CAN-Bus und IO-Link. Alle drei Schnittstellen sind vom netzspannungsführenden Leistungsteil potentialgetrennt. Für die Logik­signale kommen Optokoppler zum Einsatz. Der analoge Sollwert von 0 bis 10 V wird mit dem schnellen Avago Analogkoppler HCPL7800-S übertragen, für die CAN-Bus-Anschaltung findet der isolierte CAN-Phy ISO1050DUB von Texas Instruments Verwendung.
Über alle drei Schnittstellen können sämtliche Motorparameter und Statusmeldungen eingestellt beziehungsweise abgefragt werden. Für die Kommunikation über UART und CAN-Bus wird die „Drive Pad“ GUI Software der EPC-Partnerfirma STL bereitgestellt. Da das Kommunikationsprotokoll für Kunden von Arrow offengelegt wird, kann das Board natürlich auch mit einem eigenen Host-System oder mit einem EPC-Prozessorboard betrieben werden.
Das IO-Link Interface stellt eine Brücke vom IO-Link Protokoll zur UART dar (Bild 5).

Bild 5: IO-Link-Anschaltung.

Bild 5: IO-Link-Anschaltung.

Es basiert auf einem L6362 Phy und einem STM8S207 Microcontroller von ST Microelectronics. Diese Art der IO-Link-Anschaltung wurde gewählt, um darzustellen wie einfach es ist, eine IO-Link Funktionalität in ein bestehendes System nachzurüsten. Von der Rechenleistung des STM32 wäre es möglich gewesen, den IO-Link Stack neben der Motorcontrolsoftware zu implementieren. Da der TMG Stack nur ca. 3kB im Flash benötigt wäre auch dies kein Hindernis gewesen.

Schlussbemerkung

Der voll normkonforme IO-Link Stack stammt von TMG Karlsruhe, der auch die grafische IO-Link Parametriersoftware liefert. Das EPC-EXTB03 kann über den EPC-IO-Link Master EPC-EXTB10 oder jeden anderen beliebigen IO-Link Master in ein übergeordnetes Automatisierungssystem eingebunden werden. Für die kundenspezifische Anpassung und Implementierung der Software stehen STL und TMG als Projektpartner zur Verfügung.