Geschwindigkeit, Genauigkeit und Energieeffizienz bilden die Grundlage im Zeitalter von Industrie 4.0 und der Maschinen und Anlagen, die dahinter stehen. Industrielle Antriebe, zum Beispiel für Spinnmaschinen in der Textilindustrie, Druckmaschinen, Förderanlagen und Präzisions-Montageplätze, verbrauchen über 50 % der bereitstehenden Energie. Damit Industrie 4.0 ihr volles Potenzial erreichen kann, muss die nächste Generation von Antriebssteuerungen deutlich mehr leisten und erheblich weniger Energie verbrauchen.

Eckdaten

Wer schnelle Regelkreise in Software implementieren muss, braucht eine schnelle CPU. Wenn die aber andere Aufgaben erfüllen soll und dabei auch noch stromsparend arbeiten muss, empfiehlt sich der Einsatz dedizierter Hardware. Toshiba kombiniert beides in seinen Motorsteuerungs-MCUs: Die Vector-Engine flankiert den CPU-Core, entlastet ihn und sorgt für die schnelle und deterministische Regelschleife. Dank Zugriff auf die Firmware können Entwickler die Motorsteuerung exakt auf ihre Anforderungen abstimmen.

Synchronmotoren, die über einen Wechselrichter angesteuert werden, zeigen bereits den Übergang von starren Ansteuerungen mit fester Drehzahl hin zu energieeffizienteren Antrieben mit variabler Drehzahl auf. Sie verbrauchen minimale Energie in ihrem Anwendungsbereich. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit ist entscheidend für den Einsatz der ersten Generation von Wechselrichter-Antrieben in der Industrie. Darum sind vor allem die relativ einfachen Ansteuerungen auf Basis einer trapezoiden Signalform für die U-, V- und W-Wicklungen des Motors sehr beliebt. Bei trapezförmiger Ansteuerung können ein Mikrocontroller oder sogar einfache Logikschaltkreise die Signalform erzeugen.

Vektorregelung erhöht die Effizienz

Der Trend hin zu qualitativ höherwertigen Motoren mit einer glatteren Gegen-EMK-Charakteristik ist ungebrochen. Einfache Ansteuerungen für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) können hier nicht mithalten. Um einen ruhigen, glatten Betrieb mit minimaler Drehmomentwelligkeit zu garantieren, muss eine sinusförmige Signalform an die Motorwicklungen angelegt werden. Der Aufbau dieser Signalform ist jedoch komplexer als die Erzeugung des trapezförmigen Signals für eine einfache sechsstufige Ansteuerung. Eine feldorientierte Regelung (FOC; Vektorregelung) ist heute Standard bei der Berechnung der erforderlichen Spannung. Sie basiert auf der Rotorposition, die sie über Hall-Sensoren oder die Überwachung der Gegenspannung in jeder Wicklung erkennt.

Bild 1: Die Vektorregelung teilt sich in eine ganze Kette an Funktionsblöcken, die Motorströme und -spannungen passend berechnen.

Bild 1: Die Vektorregelung teilt sich in eine ganze Kette an Funktionsblöcken, die Motorströme und -spannungen passend berechnen.Toshiba

Die Vektorregelung ändert die Motorströme und -spannungen in Bezug auf die Rotorachsen. Dabei stellt sie sicher, dass das Statorfeld konstant und 90° phasenverschoben zum Rotorfeld bleibt. Die erfassten Statorströme wandelt sie in zwei Vektoren um, die in Phase mit dem Rotor (D) und 90° phasenverschoben (Q) wirken. Um das maximale Drehmoment dauerhaft bei allen Rotorpositionen sicherzustellen, vergleicht die Steuerung den D-Vektor mit Null und den Q-Vektor mit den von der Anwendung geforderten Sollwerten. Die resultierenden Fehlersignale steuern einen PI-Regler (Proportional-Integral), der die Signale in Bezug auf die Rotorachsen berechnet. Diese werden anschließend in die Stator-Domäne überführt, um das entsprechende PWM-Signal für jede Phase zu erzeugen. Dies vereinfacht herkömmliche Berechnungen für die Ansteuerung, erlaubt eine schnellere Ausführung und beseitigt die Auswirkungen von Bandbreitenbeschränkungen des PI-Reglers. Der Motor kann damit auch bei hoher Drehzahl sein maximales Drehmoment genau bereitstellen. Bild 1 beschreibt die wesentlichen Funktionsblöcke der Vektorregelung.

Hardware-Unterstützung

Anfangs war Software für die Vektorregelung teuer und proprietär. Inzwischen hat sich die Technik weiter entwickelt und die Anbieter von Mikrocontrollern für Antriebssteuerungen bieten kostenlosen Code an. Ein Nachteil der softwarebasierten Vektorregelung ist jedoch, dass sich bei höherer Drehzahl auch die Reaktions- und Ausführungsgeschwindigkeit der Vektorregelschleife erhöhen muss. Sehr hohe Drehzahlen erfordern eine sehr schnelle Code-Ausführung, was eine höhere Taktfrequenz der CPU mit sich bringt und somit den Energieverbrauch erhöht. In einigen Fällen reicht die Verarbeitungsgeschwindigkeit der MCU nicht, um hohe Drehzahlen zu unterstützen.

Bild 2: Die Vector-Engine (VE) beschleunigt die Berechnung und entlastet dabei die CPU, damit diese andere anwendungsbezogene Funktionen ausführen kann.

Bild 2: Die Vector-Engine (VE) beschleunigt die Berechnung und entlastet dabei die CPU, damit diese andere anwendungsbezogene Funktionen ausführen kann.Toshiba

Toshibas Vector-Engine (VE) hingegen implementiert die komplexen Berechnungen der Vektorregelung in einer dedizierten Hardware-Engine mit kundenspezifisch anpassbarer Firmware. Hinzu kommen ein PMD-Block (Programmable Motor Drive), der das PWM-Signal erzeugt, und weitere Funktionen wie eine Totzeitsteuerung. Damit ergeben sich zahlreiche Vorteile, wie eine bis zu 70 % schnellere Ausführungszeit im Vergleich zu softwarebasierten Lösungen, was wiederum höhere Drehzahlen ermöglicht. Die VE entlastet auch die CPU, sodass mehr Ressourcen für andere Aufgaben zur Verfügung stehen. Dadurch erhöht sich die Funktionalität der Anwendung, ohne die MCU-Taktfrequenz erhöhen zu müssen. Bild 2 beschreibt, wie die VE die Ausführung der Vektorregelung beschleunigt – verglichen zu einem rein softwarebasierten Ansatz.

Effizienter entwickeln

Die VE verringert zudem den Software-Entwicklungsaufwand und sie sorgt für eine stabilere und vorhersehbare Ausführung der Vektorregelschleife. Entwickler brauchen die Software für die Vektorregelung nicht länger zu debuggen und können sich voll und ganz auf den Anwendungscode konzentrieren. Toshibas Antriebssteuerungs-MCUs mit Vector-Engine verbessern die Entwicklung hochleistungsfähiger Motorsteuerungen: Eine ständig wachsende Anzahl Kunden aus verschiedenen Anwendungsbereichen vertraut bereits auf diese Technik.

Neuere MCUs von Toshiba enthalten eine aktualisierte Version der Vector-Engine, genannt VE+. Sie bietet zusätzliche Funktionen wie Rückstrom-Polaritätserkennung sowie Quadratwurzel- und Arkustanges-Berechnungen. Das gibt Entwicklern je nach den zur Verfügung stehenden Eingangssignalen mehr Flexibilität beim Erstellen der gewünschten Ausgangssignale. Die VE+ implementiert auch einen zusätzlichen Modus (Shift-2) für die Shift-PWM-Funktion, um die Vektorregelung bei Verwendung eines einzigen Strom-Shunts weiter zu verbessern.

Duale Antriebssteuerungen

Mit der Einführung der MCU-Serie TMPM47x auf Basis des ARM Cortex-M4F-Cores mit DSP-Erweiterungen und integrierter Fließkomma-Arithmetik-Einheit, bietet Toshiba nun seine Advanced-Vector-Engine (A-VE) an. Die A-VE enthält die Erweiterungen der VE+ und fügt wichtige neue Funktionen hinzu. Dazu zählen eine nicht-interaktive Stromregelung und eine Totzeitkompensation. Die nicht-interaktive Stromregelung korrigiert die Störungen, die zwischen der D- und der Q-Achse bei hoher Drehzahl auftreten. Damit ist eine korrekte Stromregelung in einem breiteren Drehzahlbereich bis 100.000 U/min gewährleistet. Die Totzeitkompensation verwendet eine Spannungsregelung zur Korrektur verzerrter Stromsignale an den Nulldurchgangspunkten.

Die höhere Verarbeitungsleistung des Cortex-M4F, der mit 120 MHz arbeitet, erlaubt die gleichzeitige Regelung zweier Motoren bei hoher Drehzahl, während andere Anwendungen parallel laufen können. Zwei integrierte 12-Bit-ADCs unterstützen eine duale Antriebssteuerung. Damit vereinfacht sich die Ansteuerung mehrachsiger Antriebe in der Industrie, und der Aufwand für das Hardware- und Software-Design sinkt. Obwohl der Vergleich zu einer reinen Software-Implementierung schwierig ist, bietet ein Antrieb auf Basis des TMPM470 in etwa 15 bis 20 % mehr Leistungsfähigkeit bei gleichem Systemtakt.

Kommunikation und Software

Der TMPM475 enthält neben der A-VE auch die duale Antriebssteuerung des TMPM470 sowie eine erweiterte Datenanbindung durch einen Einkanal-CAN2.0B-Controller. CAN2.0B vereinfacht die Integration des Antriebs in Anlagen mit Zweidraht-Steuerungsinfrastruktur, die LAN- und WAN-Vernetzung für eine fortschrittliche Steuerung und einen unüberwachten Betrieb (Lights-out Operation) unterstützen, um der Vision von Industrie 4.0 zu entsprechen.

Bild 3: Mit dem Parameter-Tuning-System (PTS) können Entwickler die PI-Verstärkung auf einfache Weise optimieren.

Bild 3: Mit dem Parameter-Tuning-System (PTS) können Entwickler die PI-Verstärkung auf einfache Weise optimieren.Toshiba

Für ein einfaches Design-in liefert Toshiba die erforderliche Software als Bibliothek für die Ein- und Drei-Shunt-Vektorregelung mit dem TMPM47x. Auch für die Vektorregelung mit allen anderen Motorcontrol-MCUs stellt Toshiba passende Software zur Verfügung, dazu kommen Anwendungshinweise und Benutzerhandbücher sowie verschiedene Software-Entwicklungswerkzeuge, die speziell auf die TMPM-Serien ausgelegt ist. Toshibas PTS (Parameter Tuning System) sorgt dabei für eine automatisierte Bestimmung der optimalen PI-Regler-Verstärkung. Abhängig vom verwendetem Motor ist dies ein sehr wichtiger anwenderkonfigurierbare Aspekt bei der Vektorregelung: Bild 3 zeigt, wie sich die korrekte Einstellung der PI-Verstärkung auswirkt. PTS misst die Induktivität und den Widerstand des Motors automatisch, genauso wie die PI-Verstärkung, und berechnet daraus die optimalen Parameter für den Motor unter Last.

Schneller am Ziel

Ein herkömmlicher softwarebasierter Ansatz bei der Ansteuerung von Wechselrichter-Antrieben stößt schnell an die Leistungsgrenzen der MCUs. Industrie 4.0 wird die Messlatte noch höher legen, und obwohl neue CPU-Cores wie der Cortex-M4F für mehr Funktionen und eine höhere Energieeffizienz sorgen, steigen die Anforderungen bei höheren Drehzahlen und bei der Ansteuerung mehrachsiger Antriebe immer weiter. Dedizierte Hardware mit kundenspezifisch anpassbarer Firmware wie die Advanced-Vector-Engine entwickelt sich ständig weiter und bietet neue Funktionen, die mit der höheren Leistungsfähigkeit der CPU einhergehen. Damit lassen sich die Forderungen zunehmend anspruchsvollerer Anwendungen erfüllen.