22-kW-Servoantrieb integriert Sicherheit und Konnektivität

Das Evaluierungskit STEVAL-ISD01KCB ist eine 22-kW- Servoantriebsplattform, die von STMicroelectronics entwickelt wurde. Das System integriert fortschrittliche Motorsteuerungstechniken, multiprotokollfähige industrielle Kommunikation und umfassende funktionale Sicherheitsmerkmale, die den Anforderungen der IEC 61508 SIL 2/PL d entsprechen. Das Design umfasst einen leistungsstarken STM32-Mikrocontroller, isolierte Gate-Treiber, leistungselektronische Komponenten, die sowohl in Leitungs- als auch Schaltverlusten optimiert sind, sowie Sicherheitsdiagnosen, um industrielle Automatisierungsanwendungen mit präziser Positions- und Drehmomentregelung unter hohen Sicherheitsanforderungen zu adressieren.

Was bietet das Evaluierungskit für Entwickler?

Das STEVAL-ISD01KCB-Evaluierungskit bietet eine vollständige Servoantriebslösung für eine breite Palette von Motorsteuerungsanwendungen, die Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehmomentregelung umfassen. Das Kit besteht aus einer Steuerungsplatine und einer Leistungsplatine. Die Steuerungsplatine, dargestellt in Bild 1, basiert auf dem STM32H743ZG-Mikrocontroller, der die Motoransteuerung über PWM-Signale an die isolierten Gate-Treiber STGAP2HD steuert. Die Leistungsplatine beherbergt hauptsächlich IGBTs im ACEPACK-SMIT-Gehäuse, wie in Bild 2 gezeigt. Diese Bauteile sind 1200 V, 50 A Halbrücken in Parallelschaltung. Jedes STGSH50M120D-Bauteil enthält eine Halbrückentopologie. 

Sicherheitsfunktionen wie Safe Torque Off (STO) und Safe Brake Control (SBC) sind integriert, um die Sicherheit durch Minimierung von Ausfallrisiken in verschiedenen Industriebereichen zu erhöhen. Die Lösung wurde TÜV Italia (TÜV SUD Gruppe) zur Bewertung der Hardwarearchitektur für STO und SBC gemäß den Referenznormen vorgelegt. 

Galvanische Trennung wird durch mehrere digitale Isolatoren STISO621 gewährleistet, um Steuer- und Kommunikationsleitungen vor Gefahren durch Motorfehler oder Sicherheitsfunktionsstufen zu schützen.

Überblick über die Hardwarearchitektur

Das Hardwaredesign verwendet einen gestapelten modularen Ansatz, der eine kompakte Montage auf Hochspannungsmotoren ermöglicht. Das System ist in mehrere Schlüsselbereiche unterteilt. Der Sicherheitsblock integriert STO- und SBC-Sicherheitsfunktionen sowie Diagnosekreise, die für die Einhaltung von SIL 2 / PL d erforderlich sind. Das Energiemanagement ist sorgfältig mit isolierten DC-DC-Wandlern ausgelegt, die verschiedene Spannungsbereiche versorgen, einschließlich isolierter Stromversorgungen für Gate-Treiber und Sigma-Delta-Modulatoren, um robuste Isolation und Störfestigkeit zu gewährleisten. 

Positionsgeber für Motorregelung im Vergleich

Positionsgeber sind zentrale Komponenten in der Motorregelung. Der Beitrag vergleicht Encoder-Technologien, analysiert Anforderungen sicherheitskritischer Anwendungen und bietet Entscheidungshilfen für die Auswahl geeigneter Systeme.

Sabine Synkule

Die Motorsteuerungshardware basiert auf Hochspannungs-IGBTs (1200 V, 50 A), die in Halbrückenkonfigurationen angeordnet und von STGAP2HD isolierten Gate-Treibern angesteuert werden. Das System unterstützt verschiedene Positionssensor-Technologien wie Resolver, Inkrementalwert- und Absolutwertgeber, was Flexibilität für unterschiedliche Motortypen und Steuerungsstrategien bietet. 

Die Konnektivität wird über die seriellen Protokolle Modbus und CANopen unterstützt, mit optionaler EtherCAT-Unterstützung für Echtzeit-Ethernet-Kommunikation. Die Datenverarbeitung erfolgt über die STM32H743ZG-MCU, die Motorsteuerungsalgorithmen ausführt, Sicherheitsfunktionen verwaltet und Kommunikationsprotokolle handhabt. 

Sicherheitsfunktionen und Diagnostik

Die Sicherheitsarchitektur ist so ausgelegt, dass sie den IEC 61508 und verwandten Normen entspricht und SIL 2 / PL d Sicherheitsintegritätslevel erreicht. Die STO-Sicherheitsfunktion verwendet eine 1oo2-Architektur, die Fehlertoleranz durch zwei unabhängige STO-Eingänge bietet, die über digitale Eingabegeräte und Isolationsbarrieren verarbeitet werden. Die MCU überprüft die Testpulssignale zeitlich, um Fehler zu erkennen, und deaktiviert die Gate-Treiberversorgung bei Fehlern oder niedrigem STO-Signal, um die Motordrehmomenterzeugung zu verhindern. Ein vereinfachtes Blockdiagramm des STO ist in Bild 3 dargestellt. 

Die SBC-Sicherheitsfunktion ergänzt STO, indem sie High-Side- und Low-Side-Schalter im Motorbremskreis mit intelligenten Leistungsschaltern steuert. Bei Aktivierung von STO wird die Bremse stromlos geschaltet, wodurch der Rotor mechanisch blockiert wird, um unerwünschte Bewegungen zu verhindern. Mit anderen Worten, bei Aktivierung von STO aktiviert die MCU auch SBC, um den Rotor zu blockieren, z. B. um ein Herabfallen bei hängenden Lasten zu vermeiden. Ein vereinfachtes Blockdiagramm des SBC ist in Bild 4 dargestellt. 

Diagnosefunktionen umfassen Unter- und Überspannungserkennung in mehreren Spannungsbereichen wie der Hauptversorgung 24 V, MCU-Versorgungsspannungen (3,5 V und 5 V), Bremsversorgung und Hochvolt-Gleichstrombus. Ein Spannungssupervisor mit Watchdog-Funktion und Stromversorgungsüberwachung für die MCU verhindert instabile Betriebszustände. Die Temperaturüberwachung erfolgt über einen digitalen Sensor, der bei Überschreitung eines Schwellenwerts Fehlerereignisse auslöst. Fehler, die von Diagnosefunktionen in den intelligenten Leistungsschaltern (IPS) wie Übertemperatur oder Überlast stammen, lösen Sicherheitsfunktionen über die MCU aus. Zusätzlich überprüfen Ausgangsrückkopplungsschaltungen die ordnungsgemäße Funktion der Leistungs-MOSFETs und Leistungsschalter, die an Sicherheitsfunktionen beteiligt sind. 

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Nicole Ahner

Struktur des Energiemanagements

Das Energiemanagement ist in sicherheitskritische und nicht-sicherheitskritische Bereiche unterteilt. Das Design umfasst isolierte DC-DC-Wandler zur Versorgung der verschiedenen Spannungsversorgungen für Steuerung, Kommunikation und Leistung. Zwei separate DC-DC-Wandler basierend auf dem L7986L Schaltregler liefern isolierte und geregelte Spannungen für Steuerungs- und Kommunikationsabschnitte. 

Ein dedizierter isolierter Abwärtswandler mit dem L6986I-Regler und planaren Transformatoren erzeugt die +15 V und -10 V Gate-Treiberversorgungen, die für die IGBT-Gate-Source-Polarisation notwendig sind. Die planaren Transformatoren sind für niedrige Leckinduktivität und hohe thermische Effizienz optimiert, was für den Hochfrequenzbetrieb bei etwa 500 kHz entscheidend ist. 

Die isolierten Versorgungen gewährleisten galvanische Trennung zwischen Hochspannungs-Leistungskreisen und Niederspannungs-Steuerelektronik. 

Leistungs- und Antriebsstufe

Die Servoantriebsplattform ist für Drehstrommotoren mit einer Leistung von bis zu 22 kW und Busspannungen bis 800 V_DC ausgelegt. Sie integriert duale isolierte Gate-Treiber STGAP2HD, die Sink-/Source-Ströme von 4 A mit Rail-to-Rail-Ausgängen liefern und über eine Miller-Klemmung verfügen, um Gate-Spannungsspitzen bei schnellen Schaltvorgängen zu verhindern und so die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Leistungsstufe beherbergt sechs hochspannungsgekühlte IGBTs im ACEPACK-SMIT-Gehäuse STGSH50M120D (siehe Bild 5), angeordnet in Halbrückentopologie, wobei pro Phasenbein zwei Bauteile parallelgeschaltet sind, um hohe Stromanforderungen zu erfüllen. Die Motorphasenstrommessung erfolgt über ISOSD61 Sigma-Delta-Modulatoren, die hochauflösende Strommessungen liefern, die für die Implementierung von feldorientierten Regelungsalgorithmen (FOC) in der MCSDK 5.4.8 Motorsteuerungsbibliothek erforderlich sind. 

Zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs sind Gate-Widerstände nahe jedem IGBT platziert, um parasitäre Schwingungen zu unterdrücken, während Pull-Down-Widerstände unbeabsichtigte Gate-Aktivierungen durch kapazitive Kopplung verhindern. Entkopplungskondensatoren sind nahe den IGBTs positioniert, um Spannungsspitzen zu minimieren und Belastungen während Schaltvorgängen zu reduzieren. Die Leistungsplatine ist über Steckverbinder mit der Steuerungsplatine verbunden, die Gate-Signale, isolierte Stromversorgungen und Sensorsignale übertragen und so ein robustes und präzises Motorsteuersystem für anspruchsvolle Industrieanwendungen ermöglichen. 

Leistungstests wurden mit einer Schaltfrequenz von 8 kHz durchgeführt und erreichten eine Eingangsleistung von 22 kW im thermischen Gleichgewicht. Für den Leistungstest wurden einige kundenspezifische Muster mit embedded NTCs auf der Leistungsplatine montiert, um die Temperatur im ACEPACK-SMIT-Gehäuse zu messen. Insbesondere ersetzten zwei STGSH50M120D mit NTC die zwei Standard-Phasen-W-IGBTs. Die auf dem Markt verfügbare Version dieses Produkts ist jedoch ohne NTC. 

Unter diesen Bedingungen wurde die Plattform bei 750 V_DC und 41 A_rms Phasenstrom mit einem Dyno-Prüfstand bei 3200 U/min getestet.

Im STEVAL-ISD01KCB besteht das Kühlsystem aus einem Kühlkörper mit 0,54 K/W (für natürliche Konvektion) und einem Wärmeleitmaterial mit 8 W/mK Wärmeleitfähigkeit. Zwei Lüfter kühlen den Kühlkörper, und das System erreichte den thermischen Gleichgewichtszustand bei einer NTC-Temperatur von 108 °C. 

Die beiden Multimeter, die an die beiden Phasen-W-NTCs angeschlossen sind, zeigten gleiche Werte, was darauf hinweist, dass die Ströme zwischen den parallel geschalteten IGBTs gut ausbalanciert waren. 

Leistungswandler: kleiner, effizienter, modularer

Aktuelle Leistungswandler werden kompakter, leistungsfähiger und funktionaler. Neue Halbleitermaterialien, intelligente Systeme und anpassbare Verbindungstechnik prägen die nächste Entwicklungsstufe in der Leistungselektronik.

Datenverarbeitung und Konnektivität

Der STM32H743ZG-Mikrocontroller, basierend auf dem Arm-Cortex-M7 Kern, läuft mit 480 MHz und dient als zentrale Verarbeitungseinheit für Motorsteuerung, Sicherheitsmanagement und Kommunikation. Die MCU steuert die PWM-Erzeugung, die Eingangserfassung zur STO-Signalüberprüfung und die Erfassung von Diagnosedaten über ADC- und Sigma-Delta-Schnittstellen. Dank des digitalen Filters für Sigma-Delta-Modulatoren (DFSDM) in diesem Mikrocontroller können die ISOSD61 Sigma-Delta-Modulatoren für die Strommessung direkt an der MCU angeschlossen werden. Die Kommunikation mit dem Temperatursensor STTS751 erfolgt über die I²C-Schnittstelle. 

Die Firmware wird mit dem STM32Cube Framework entwickelt und umfasst Hardware-Abstraktions- und Middleware-Schichten. Sicherheitskritische Firmware-Komponenten nutzen das TÜV Rheinland-zertifizierte X-CUBE-STL-H7-Paket, das die Einhaltung der IEC 61508 funktionalen Sicherheitsanforderungen sicherstellt. 

Das Evaluierungskit unterstützt mehrere industrielle Kommunikationsprotokolle zur Schnittstelle mit Host-Controllern wie SPS. Modbus ist über RS485 mit dem ST3485EI Transceiver verfügbar, während CANopen als Slave auf dem CAN-Bus mit einem dedizierten CAN-Transceiver unterstützt wird, der für das klassische Frame-Format und den Normalbetrieb konfiguriert ist. Echtzeit-Ethernet-Konnektivität über EtherCAT wird optional durch nicht standardmäßig bestückte Komponenten unterstützt. 

Das System unterstützt verschiedene Positionssensoren, darunter Resolver, Inkrementalwert- und Absolutwertgeber, und ermöglicht so präzises Rotorpositionsfeedback für fortschrittliche Steuerungsalgorithmen. 

Fazit

Das STEVAL-ISD01KCB Evaluierungskit bietet eine leistungsstarke und vielseitige Plattform für die Entwicklung industrieller Servoantriebe. Die umfassende Sicherheitsarchitektur, das fortschrittliche Energiemanagement und die flexiblen Kommunikationsschnittstellen machen es geeignet für Anwendungen mit hohen Anforderungen und SIL 2 / PL-d-Konformität. Die Integration isolierter Schnittstellen und umfangreicher Diagnosefunktionen gewährleistet hohe Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit, während die STM32H743ZG-MCU die notwendige Rechenleistung für Motorsteuerung, Sicherheit und Echtzeitkommunikation bereitstellt. (na)

Weitere Informationen zum STEVAL-ISD01KCB finden Sie unter https://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-isd01kcb.html