Embedded Control in Bewegung

Beides ist speziell an die Bedürfnisse moderner, elektrischer Antriebssysteme angepasst, so dass sich mit Hilfe dieses Bausteins und der richtigen Motor- und Leistungsbrückenkombination ein vollständiges Antriebssystem zusammenstellen lässt. Gemäß den Anforderungen der jeweiligen Anwendung können Interface-Hardware und Firmware-Anpassungen flexibel und kostenneutral realisiert werden.

Die Konfiguration eignet sich sowohl für Protoptypen als auch für Kleinserien. Schaltungstechnik und Firmware können mit wenig Aufwand und Entwicklungsrisiko in Serienlösungen überführt werden.

Der Bedarf an Antrieben für Elektromotoren, die sich flexibel ansteuern lassen, bei möglichst hoher Energieeffizienz, ist kontinuierlich gestiegen. Ohne Leistungselektronik und Rechenintelligenz sind solche Antriebe nicht mehr realisierbar. Die Folge davon ist ein steigender Bedarf an zugeschnittenen Umrichterlösungen (engl. „Inverter“), die wirtschaftlich dem jeweiligen Motor beziehungsweise Anwendungsprofil angepasst werden können und auch bei kleinen und mittleren Fertigungsvolumina noch kostengünstig sind.

Zugeschnittene Umrichterlösungen

Obwohl es verschiedene Umrichter für Massenanwendungen gibt, eignen sich diese nicht immer in allen Punkten. Neben den Performance-Daten sind Kosten, Größe und Gewicht weitere entscheidende Kriterien. Steuerung und Leistungsstufe betreffend, wird der Anwender somit veranlasst, bei der Auslegung und Implementierung einen neuen Weg einzuschlagen. Wie sieht dieser neue Weg aus? Zunächst sollte dazu folgende Frage geklärt werden: „Welche Bestandteile muss ein moderner Umrichter haben?“

Ein Umrichter setzt sich aus folgenden Funktionsblöcken zusammen:

• Leistungsschalter, um den Motor direkt anzutreiben.
• Versorgung einschließlich Eingangsfiterung, Gleichrichtung und Regenerationsschutz.
• Hilfsfunktionen sowie Gehäuse- und Verbindungstechnik.
• Kommunikationsschnittstelle zum Hostcomputer beziehunsgweise Netzwerk.
• Eine integrierte SPS oder Bewegungsablaufsteuerung gehört häufig dazu.
• Digitale Regelalgorithmen, Fehler- und Sicherheitsmanagement.

Die ersten drei Funktionen können nun direkt durch neue, weitgehend schaltungstechnisch eigenständige Leistungsmodule abgedeckt werden, die bereits Treiber und andere Hilfsfunktionen beinhalten. Auf einer dedizierten Embedded-Motorcontroller-Karte lassen sich die letzten drei  Funktionen implementiert. Viel mehr ist nicht erforderlich nur noch die Mechanik und die Verbindungstechnik.

Technische Entwicklungen

Der Einsatz eines flexiblen Motion Controllers mit Leistungsstufe statt eines Standardumrichters wird durch eine Reihe von technischen Neuerungen unterstützt, die in den letzten fünf Jahren Reife erlangt haben:

• Leistungsfähige Standards in Industriekommunikationsnetzen stehen zur Verfügung, zum Beispiel EtherCAT, Profibus, RT-Ethernet.
• Regelung und Betriebsabläufe eines Umrichters lassen sich voll digital abbilden, ohne Performance-Einbuße.
• Schnell taktende FPGAs, die sowohl die Software eines Mikrocontrollers als auch Hardwarelogik abbilden können.
• IGBT-Leistungsbrückenmodule, mit mehr Funktionalität, einschließlich Treiberschaltungen und Phasenstrommessung, werden angeboten. Ein Beispiel zeigt Bild 2. Es handelt sich um das Mitglied einer großen Familie von Leistungsmodulen, die als 3-Phasen-Motorbrücken konfiguriert sind und Ströme von 100 bis 400 A bei Versorgungsspannungen von 600 beziehungsweise 1200 V_DC liefern.

Elektromotor, Mechanik, Elektronik und Intelligenz werden immer mehr zusammen integriert. Embedded Control und Motion Control verschmelzen, in „Embedded Motion“. Durch diese Entwicklung ergeben sich für den Anwender einige Vorteilen.

Embedded-Motion-Entwicklungsplattform

Wie die neue Embedded-Motion-Entwicklungsplattform aussieht, lässt sich am besten anhand eines konkreten Beispiels beantworten. MACinverter, ein universeller Embedded Controller wurde speziell für die Ansteuerung von Motorleistungsmodulen konzipiert; vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich für 3-phasige, elektrische Antriebe (Bild 3). Er besitzt alle notwendigen Funktionen, um ein modernes Antriebssystem zu unterstützen, zum Beispiel:

• Kompatibel mit DC-, AC- und DC-bürstenlosen Motoren.
• Kompatibel mit anderen Motortypen, wie beispielsweie SR sowie Motoren mit doppelten beziehungsweise redundanten Wicklungssystemen.
• Mehrere Motoren und Leistungsbrücken können von einem MACinverter angesteuert werden.
• FET/IGBT-Leistungsmodule (Treiber) werden direkt angesteuert.
• Variable PWM-Frequenz, bis zu 50 kHz bei einer Auflösung von 10 Bit.
• Die Intelligenz sowie dedizierte Kundenfunktionen werden komplett im FPGA realisiert.
• Drehmoment, Geschwindigkeit und Position mit feldorientierter Regelung.
• Eine umfangreiche Bibliothek von Motor- und Feedback-Steuerfunktionen steht zur Verfügung
• Die angebotenen Feedbackschnittstellen: Er besitzt alle erforderlichen Funktionen, um ein modernes Antriebssystem zu unterstützen, einschließlich folgender Komponenten: Resolver, Inkrementalgeber (A/B/Z und Sinus/Cosinus), Halleffekt-Sensoren, Absolutenkoder (EnDat, Hiperface, SSI, BISS, Netzer).
• Leistungsfähige Hostinterfaces: Ethernet, EtherCAT, CAN, RS232/422.
• Mehrfache I/O-Fähigkeit (analog wie digital).
• Kleine Abmessungen der Controller-Platine: 68,5 x 68,5 x 12 mm³, 36g.

Die Kombination eines kompakten jedoch leistungsfähigen Embedded Controllers mit einem eigenständigen Leistungsmodul ermöglicht eine schnelle und sichere Implementierung von Umrichtern mit nahezu beliebiger Funktionalität und mit Leistungswerten von aktuell bis zu 500kW.

Um den Entwicklungsprozess mit dem MACinverter zu beschleunigen, gibt es ein „Base-Board“, das sämtliche möglichen Anschlüsse für bis zu zwei Leistungsstufen (Motoren), jeweils mehrere verschiedene Feedbacksysteme (auch mehrfach) sowie Achs- und Allgemein-Signale unterstützt (Bild 4). Nachdem die neue Antriebskonfiguration mit Hilfe dieses Base-Boards und adaptiertem Code im FPGA auf der Control-Card ausreichend erprobt wurde, kann eine Sonderplatine zur Anpassung des Formfaktors entwickelt werden.

Es ist hierdurch möglich, eine neue Antriebskonfiguration in kurzer Zeit zu realisieren und zu testen. Dauer und Kosten einer Neuentwicklung werden dadurch kontrollierbar. Verschiedene Werkzeuge unterstützen zudem die Soft- beziehungsweise Firmware-Entwicklung (Bild 5). Kern ist das FPGA-Entwicklungssystem (Quartus II), mit dem alle Hardware-nahen und schnellen Steuerungs-/Regelungsfunktionen zusammengestellt und im FPGA umgesetzt werden. Dieser Kern wird durch weitere Hilfsfunktionen bziehungsweise Bibliotheken unterstützt:

• Standardfunktionen des Embedded Controls stehen fertig und getestet zur Verfügung. Dazu gehören Schnittstellentreiber, Softprozessoren, Speicher- und weitere Hardware-Treiber.
• Hardware-nahe und antriebsspezifische Funktionen können aus der „MACinverter Application Library“ übernommen werden. Dazu gehören beispielsweise die PWM- oder Resolverwandlung.
• Anwendungsspezifische Regelstrecken lassen sich mit Matlab/Simulink entwickeln und testen. Mit Hilfe des Simulink-HDL-Coders werden diese automatisiert in VHDL umgewandelt.

Nach Auswahl und Konfiguration des Systems kann die gewünschte Funktionalität kompiliert und direkt ins FPGA des MACinverters abgelegt werden. Für Anwender, die es bevorzugen, mit einem Mikrocontroller zu entwickeln, gibt es die Möglichkeit mit C++ einen im FPGA integrierten Softprozessor (zum Beispiel NIOS II) zu programmieren.

Embedded Motion im Detail

Der MACinverter und seine Entwicklungsmethodik unterstützt direkt die Kernansätze von „Embedded Motion“. Angelehnt an „Embedded Control“ wird bei „Embedded Motion“ die Steuerungsintelligenz Teil des Zielsystems. Zudem werden der Elektromotor als Kit und die Leistungselektronik Bestandteil der Maschine.

Diese Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen:

• Da der Motor in der Maschine sitzt, entfallen zwei Lager, viel Mechanik und eine Kupplung (der Motor braucht kein Gehäuse und keine eigene Lagerung mehr).
• Die Anordnung ist kompakter und leichter.
• Die Welle ist kürzer und sie besteht nicht mehr aus zwei Teilen. Sie ist steifer und hat eine geringere Trägheit. Dadurch wird das System dynamischer und die Eigenresonanzen geringer. Letzten Endes wird das System schneller, genauer und energiesparender.
• Die Motorelektronik (Steuerung und Leistungsteil) wird zusammen mit der Steuerungselektronik realisiert, gegebenenfalls auf der gleichen Steuerplatine.
• Idealerweise wird die Elektronik in der Systemmechanik integriert. Dadurch verkürzen sich die Verbindungswege (Stecker und Kabel entfallen); die EMV wird besser.
• Ein besseres Wärmemanagement ist möglich, da alle Einbauverhältnisse bekannt sind.
• Auch wird die Anordnung in der Serie meistens preiswerter, da die benötigte Materialmenge und die Montageschritte geringer sind.

(ah)