Embedded-Systeme sparen dank moderner Vektorsteuerung viel Energie bei Elektromotren.

Embedded-Systeme sparen dank moderner Vektorsteuerung viel Energie bei Elektromotren.Toshiba

Eine effiziente und effektive Antriebssteuerung ist für immer mehr Elektronikentwickler in den Bereichen industrielle Prozesssteuerung, Gebäudeautomatisierung, Brauchwasserpumpen und Haushaltsgeräten ein wichtiges Thema. Die Herausforderungen bei der Umsetzung sind jedoch zahlreich – vor allem, wenn die Ingenieure eine effiziente Antriebssteuerung innerhalb kurzer Entwicklungsdauer und knappen Budgets bereitstellen sollen.

Hinzu kommt, dass eine immer ausgefeiltere Regelung erforderlich ist, um die Vorteile der kleineren, effizienteren und zuverlässigeren bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) mit variabler Drehzahl zu nutzen. Diese Antriebe finden sich heute immer häufiger in Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Leistungsbedarf. Die zusätzlichen Anforderungen der Antriebstechnik belasten eine Geräteentwicklung dann, wenn andere Merkmale des Endprodukts im Zentrum der Entwicklung stehen oder wenn die Antriebssteuerung nicht unbedingt die Kernkompetenz des Entwicklerteams ist.

Mehr als nur Hard- und Software

Seit Jahren unterstützen Halbleiterhersteller die Entwickler dabei, Antriebssteuerungen zu vereinfachen, indem sie ASSPs (applikationsspezifische Standardprodukte) anbieten, die spezielle, Hardware-basierte Motorsteuerungsfunktionen enthalten. Die Bausteine sind zwar einfach anzuwenden – zur Änderung der Motordrehzahl muss man nur die Eingangsspannung verändern – nach ihrer Definition lässt sich die Funktionalität eines ASSPs aber nicht ändern. Dies schränkt die Designflexibilität ein und erfordert weitere Hard- und Softwareentwicklung für nicht standardgemäße Zielanwendungen.

Auf einen Blick

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sind klein und effizient – sie brauchen aber eine ausgefeilte Regelung. Die muss zu allem Überfluss für jeden Antrieb eigens ausgelegt werden. Damit steigen die Anforderungen an den Embedded-Entwickler. Unterstützung findet er bei den Mikrocontrollern von Toshiba, die dank spezieller Software die Umsetzung deutlich vereinfachen.

Eine weitere Einschränkung bei ASSPs ist deren fehlende Intelligenz, um eine komplexe feldorientierte Regelung (FOC) zu unterstützen, wie sie in modernen BLDC-Designs erforderlich ist. Die FOC, auch Vektorregelung genannt, beseitigt die schlechte Genauigkeit bei niedrigen Drehzahlen, wie sie bei herkömmlicher trapezförmiger Ansteuerung auftritt und erhöht im Vergleich zur traditionellen sinusförmigen Ansteuerung den Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen. FOC-Systeme sind vor allem durch ihre Energieeinsparmöglichkeit beliebt: eine geringe Abweichung zwischen Soll- und Ist-Drehzahl erfordert nur wenig Korrekturen bei der Beschleunigung oder Verzögerung. Dadurch wird mehr Energie zur Rotation des Motors bereitgestellt und nicht in den Motorwicklungen als Verlustwärme freigesetzt. Hinzu kommt die geringere Belastung des Motors, was die Zuverlässigkeit erhöht.

Vektorregelung im Griff

Der Nachteil ist, dass die Implementierung der komplexen Algorithmen nicht ganz einfach ist. Die FOC erfordert

  • die Umwandlung der gemessenen Statorströme in Quadratur- und Direktvektoren mit Bezug auf den Rotor,
  • den Vergleich des Direktvektors mit Null und dem angeforderten Drehmoment,
  • die Rückumwandlung in die Statordomäne und
  • die Erzeugung der entsprechenden PWM-Steuersignale.
Bild 1: Toshibas Low-Power-Mikrocontroller TMPM372/3/4 mit ARM Cortex-M3-Core bieten eine Firmware-basierte Lösung für komplexe Antriebssteuerungen.

Bild 1: Toshibas Low-Power-Mikrocontroller TMPM372/3/4 mit ARM Cortex-M3-Core bieten eine Firmware-basierte Lösung für komplexe Antriebssteuerungen.Toshiba

Darum machten FOC-Implementierungen noch bis vor kurzem eine zeitraubende Entwicklung anspruchsvoller Software erforderlich. Heute bieten hingegen Mikrocontroller (MCUs) mit integrierten Vektor-Engines, Motorsteuerungsfunktionen und optimierter Peripherie eine alternative Firmware-basierte Lösung (Bild 1). Ein solcher Ansatz bietet eine Designflexibilität, die mit ASSPs nicht möglich ist. Er minimiert, oder erübrigt bestenfalls, auch den Programmieraufwand sowie den Ressourcen-Overhead Software-basierter Designs.

Schnelle Umsetzung dank Firmware

Bild 2 zeigt eine Embedded-Antriebssteuerung auf Basis eines ARM Cortex-M3-Mikrocontrollers. Der 32-Bit-Prozessor-Core eignet sich für deterministische Echtzeit-Anwendungen und erfüllt die Anforderungen eines niedrigen dynamischen und statischen Leistungsbedarfs.

Bild 2: Die Firmware für FOC-Berechnungen im Mikrocontroller fußt auf FreeRTOS, ergänzt um eine Treiberschicht und eine spezielle Vector-Control-Einheit.

Bild 2: Die Firmware für FOC-Berechnungen im Mikrocontroller fußt auf FreeRTOS, ergänzt um eine Treiberschicht und eine spezielle Vector-Control-Einheit.Toshiba

Die Darstellung zeigt die physikalische MCU-Hardwareebene als Grundlage der Implementierung, bis hin zur letztendlichen Anwendungsebene über die Hardware-Abstraktionsebene CMSIS (ARM Cortex Microcontroller Software Interface Standard), die FreeRTOS- und Treiber-Ebenen und die Antriebssteuerungselemente. Die Aufgaben A und B stellen eine vom Entwickler entworfene anwendungsspezifische Motorsteuerungsfunktion dar, welche die grundlegende Antriebsregelung nicht verändern. Alle anderen Blöcke unterhalb der Anwendungsebene werden durch Firmware bereitgestellt.

Freie Wahl

Für einige Entwickler ist der Firmware-basierte Ansatz besonders interessant, da sie auswählen können, wie viel sie der Firmware überlassen und welchen Anteil der Antriebsregelung die Hardware und Software verwalten. Andere wiederum behandeln die MCU nur als intelligenteren ASSP und wenden so wenig Zeit wie möglich für die Konfiguration des Bausteins oder für das Schreiben zusätzlichen Codes auf. Darum unterstützt Toshiba die Entwicklung Firmware-basierter MCU-Antriebssteuerungen mit einem speziell dafür abgestimmten und vorkonfigurierten Motorsteuerungs-Entwicklungsboard.

Bild 3: Ober- und Unterseite von Toshibas Sigma-Board. Es hat eine Analog- und eine Digital-Seite und steuert Motoren mit bis zu 36 V und 2 A.

Bild 3: Ober- und Unterseite von Toshibas Sigma-Board. Es hat eine Analog- und eine Digital-Seite und steuert Motoren mit bis zu 36 V und 2 A.Toshiba

Toshiba präsentiert das Sigma-Board (Bild 3) auf der Embedded World in Nürnberg. Das Board misst nur 2,5 x 5 cm2. Es ist für den sofortigen Einsatz mit Niedervolt-Motoren bis zu 36 V und 2 A ausgelegt.

Umfassend ausgestattetes Board

Bezüglich der Hardware ist das Sigma-Board eine doppelseitige Leiterplatte, die eine analoge und eine digitale Seite aufweist. Die Analogseite enthält

  • die Gate-Treiber,
  • einen Schaltkreis zur Strommessung, bestehend aus einem 50-mΩ-Shunt-Widerstand und einem Verstärker zur Strommessung,
  • einen Überstrom-Komparator und
  • Low-Side-MOSFETs.

Neben Toshibas Sigma-Device-MCU TMPM373 enthält die Digitalseite:

  • eine USB-zu-seriell-Schnittstelle mit einer Standard-Übertragungsrate von 115 KBit/s,
  • einen USB-Anschluss für einen Host-PC,
  • einen DC/DC-Wandler,
  • eine RGB-LED zur Anzeige jeder Motorphase,
  • Schnittstellen für U-, V- und W-Motorphasen-Ausgänge und
  • die erforderlichen High-Side-MOSFETs.

Der TMPM373 ist ein stromsparender 48-Pin, 32-Bit ARM Cortex-M3-Baustein, der mit 5 V betrieben wird und eine maximale Core-Taktfrequenz von 80 MHz aufweist. Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt die wesentlichen Funktionsblöcke: Neben der Antriebssteuerung kommen NAND-Flash-Speicher für die schnelle Programmierung und ein OFD-Block (Oscillation Frequency Detection) zum Einsatz, was die Einhaltung des IEC-60730-Standards vereinfacht. Die MCU auf dem Sigma-Board ist vorprogrammiert mit Toshibas Antriebssteuerungs-Firmware.

Motoren im Sinn

Bild 4: Das Sigma-Board kommt mit sehr wenigen Schnittstellen aus: USB zur Datenkommunikation, Stromversorgung, Speed-Eingang und die Ansteuerung der Motorphasen.

Bild 4: Das Sigma-Board kommt mit sehr wenigen Schnittstellen aus: USB zur Datenkommunikation, Stromversorgung, Speed-Eingang und die Ansteuerung der Motorphasen.Toshiba

Das Sigma-Board unterstützt auch Toshibas kostenlose Motor-Mind-Software. Auf einem PC oder in Zukunft auch auf Android-basierten Tablets mit Bluetooth-Modul, das den Vorteil der galvanischen Isolation mit sich bringt, bietet dieses Tool eine intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI). Damit vereinfacht sich die Konfiguration wichtiger FOC-Motorsteuerungsparameter: Proportional-Integral-Glieder (PI), die Totzeit und die PWM-Frequenz lassen sich einstellen und im internen Speicher ablegen, um später in der Anwendung wieder aufgerufen zu werden. Nach der Konfiguration ist der PC nicht mehr erforderlich, und das einzige was der Entwickler benötigt, um einen Motor zum Laufen zu bringen, ist der Motor selbst, eine geeignete Stromversorgung für den Motor, die Leiterplatte und ein analoges Drehzahl-Eingangssignal (Bild 4).

Die vorprogrammierte MCU erübrigt eine spezielle Softwareentwicklung, und da weitere Signale für den PWM-Drehzahleingang, die Fehlererkennung/-anzeige und das Tachosignal angeschlossen werden können, sind diese nicht notwendig. Hinzu kommt, dass das neue Board über die entsprechenden Pins auf der Leiterplatte auch an alle anderen Boards angeschlossen werden kann, wobei sich die gleiche Firmware und die gleichen digitalen Komponenten zur Regelung größerer Motoren oder für andere Anforderungen verwenden lassen.

Flexibler Support

Je nach Anforderung der Anwendung lässt sich das Sigma-Board als Starterkit, Referenzsystem oder als eigenständige BLDC-Antriebssteuerung verwenden. Letztere ist vor allem für Entwickler interessant, die keine zusätzlichen Funktionen hinzufügen wollen oder wenn eine Antriebssteuerung für ein Produkt, das in niedrigen Stückzahlen gefertigt wird, schnell umgesetzt werden soll.

Um Entwickler beim Design von Antriebssteuerungen weiter zu unterstützen, gründete Toshiba vor kurzem sein eigenes Online-Forum unter https://forum.toshiba-components.com. Das Forum bietet eine tiefgreifende Diskussion unter Entwicklern; der Zugang ist kostenlos, und für den einfachen Lesezugriff ist keine Registrierung erforderlich.