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(Bild: Toshiba)

| von Frank Malik

Eine grundlegende elektronische Kommutierung für einen BLDC-Motors lässt sich folgendermaßen realisieren: Hall-Sensoren bestimmen die Position des Rotors. Mit den gesammelten Informationen kann dann eine Treiberschaltung aus MOSFETs die entsprechenden Spulen des Motors erregen, um den Rotor von seiner vorhandenen Position zum nächsten Drehbereich in der erforderlichen Richtung zu bewegen. Diese Art der Kommutierung ist trapezförmig und lässt sich einfach umsetzen. In Kombination mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) lässt sich sogar die Drehzahl vorgeben. Zusammen mit einem PID-Regler, der die Hall-Sensoren für ein Rückkopplungssignal verwendet, steht damit ein robuster BLDC-Motorcontroller bereit.

ECKDATEN

Viele aktuelle Anwendungen wie Drohnen oder E-Bikes sind mit bürstenlosen Gleichstrommotoren ausgestattet. Um diese jedoch effizient nutzen zu können, bedarf es einer aufwendigen und komplizierten Ansteuerschaltung – eine feldorientierte Lösung (FOC). Eine FOC benötigt einen programmierbaren Baustein, der die aufwendigen Berechnungen zuverlässig verarbeiten kann.

Ein solches grundlegendes Kommutierungsverfahren erzeugt bei Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) eine erhebliche Drehmomentwelligkeit, die auch zu einer deutlichen Geräuschentwicklung führt. Solche Motoren sollten Entwickler besser mit einem sinusförmigen Signal kommutieren. Selbst eine einfache sinusförmige Kommutierung erfordert eine programmierbare Steuerung wie etwa einen Mikrocontroller (MCU) oder ein FPGA. Mithilfe eines Sensors am Rotor, der die Positionsinformation bereitstellt, lassen sich MOSFETs über ein PWM-Signal ansteuern. Dabei kommt üblicherweise eine Zuordnungstabelle (Lookup-table) zum Einsatz, um ein Sinussignal am Ausgang des Controllers zu erzeugen. Um eine höhere Regelgenauigkeit zu erzielen, ist ein präziser und teurer Sensor wie ein Resolver oder ein optischer Encoder erforderlich. Die Drehmomentregelung wird jedoch bei höheren Drehzahlen weniger effizient.

Funktionsweise der FOC

Bild 1: Die trapezförmige Kommutierung ist zwar einfach zu realisieren, führt jedoch bei PMSM-Motoren zu einer Drehmomentwelligkeit – die sinusförmige Kommutierung minimiert die Effekte.

Bild 1: Die trapezförmige Kommutierung ist zwar einfach zu realisieren, führt jedoch bei PMSM-Motoren zu einer Drehmomentwelligkeit – die sinusförmige Kommutierung minimiert die Effekte. Toshiba

Die optimale Lösung in solchen Fällen ist die feldorientierte Regelung (FOC; Field Oriented Control). Dieses sinusförmige Kommutierungsverfahren beruht auch auf einer programmierbaren Steuerung, um die Statorströme zu berechnen, die erforderlich sind, um den Rotor basierend auf der Stromrückkopplung des Motors anzusteuern.

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der FOC

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der FOC. Toshiba

Das Verfahren wandelt die drei Statorströme in magnetische Flussdichte und Drehmoment erzeugende Teile. Zudem regelt es die Statorströme über einen PI-Regler und wandelt sie dann in drei Spannungswerte zurück, aus denen wiederum der PWM-Ausgang erstellt wird. Dieser ist dann auch für das sinusförmige Kommutierungssignal verantwortlich. FOC bietet bei hohen und niedrigen Drehzahlen eine leistungsstarke Drehmomentregelung, wodurch dieses Verfahren im Vergleich zu trapezförmigen oder sinusförmigen Alternativen die bevorzugte Kommutationsmethode ist. Den komplexeren Algorithmus müssen Entwickler jedoch zuerst verstehen.

Die hohe Komplexität der FOC erfordert einen programmierbaren Baustein, der die Vektormathematik der Clarke- und Park-Transformationen, die der FOC zugrunde liegt, effizient handhaben kann. Ein gängiger Mikrocontroller (MCU) bietet nicht den notwendigen Befehlssatz, um diese Berechnungen effizient durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann ein digitaler Signalprozessor (DSP) die Berechnungen effizient durchführen, jedoch fehlen dabei optimierte Anweisungen für die Peripherie-Steuerung. FPGA-basierte Lösungen sind ebenfalls erhältlich, sind aber möglicherweise nicht ausreichend programmierbar, wie es etwa eine MCU- oder DSP-Lösung wäre, um andere Aufgaben wie beispielsweise die Einbindung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle oder die Netzwerkanbindung des Systems ausführen zu können.

Mehr zu programmierbaren Alternativen finden Sie auf der nächsten Seite.

Programmierbare Lösungen

Bild 3: Die A-VE ist eng mit der ADC- und PWM-Peripherie gekoppelt, um eine effiziente FOC für die Antriebssteuerung zu ermöglichen.

Bild 3: Die A-VE ist eng mit der ADC- und PWM-Peripherie gekoppelt, um eine effiziente FOC für die Antriebssteuerung zu ermöglichen. Toshiba

Bei all diesen Technologien (MCUs, DSPs, FPGAs etc.) konzentriert sich die Entwicklung seit vielen Jahren in erster Linie darauf, programmierbarer Lösungen zu finden, die sich als FOC-Controller eignen. Dabei ist der Ausgang des Controllers an eine PWM-Peripherie-Einheit angeschlossen, während der Eingang für die Strommessung über eine ADC-Peripherie-Einheit (Analog/Digital-Wandler) erfolgt. Die Hersteller dieser Komponenten entwickeln sie ständig weiter und statten sie mit neuen Funktionen aus, damit sie autonomer arbeiten und sich gegenseitig aktivieren können. Ein Beispiel ist eine Funktion, die sicherstellt, dass der ADC den Motorstrom an einem Punkt erfasst, nachdem die PWM-Schaltspitzen vorüber sind. Das stellt zuverlässigere Daten für den Motorsteueralgorithmus bereit und vereinfacht auch die Signalverarbeitungsalgorithmen, was wertvolle Prozessorzeit einspart.

In Zukunft sollen die von BLDC-Motoren bereitgestellten Drehzahlen noch weiter ansteigen, was für Entwickler von FOCs eine erhebliche Herausforderung darstellt. Bei einem rein softwarebasierten Ansatz besteht das Problem darin, die erforderlichen Berechnungen durchzuführen, um eine ausreichende Sinuswellen-Annäherung schnell genug zu erzeugen. Geht es um die Hardware, muss diese in der Lage sein, den erforderlichen Strom bereitzustellen. Die zugehörigen MOSFETs oder IGBTs müssen unter Einhaltung der Verlustleistungsgrenzen schnell genug schalten, wobei die Verlustleistung mit der Schaltfrequenz ansteigt.

Hardwarebeschleuniger kommen immer häufiger zum Einsatz, da sie komplexe, rechenintensive Aktivitäten optimieren und gleichzeitig die Arbeitslast des zentralen Prozessors verringern. Die Mikrocontroller der M4K-Gruppe aus der TXZ4-Serie von Toshiba sind speziell für Motorsteuerungen entwickelt. Sie unterstützen einen 80-MHz-Betrieb und bieten eine solche Beschleunigerfunktion in Form der von Toshiba entwickelten Advanced Vector Engine (A-VE+). Diese dedizierte Recheneinheit enthält Blöcke für die Clarke- und Park-Transformationen, Raumzeigermodulation sowie eine Auswahl anderer mathematischer Funktionen in einem unabhängigen Hardware-Block, der eng mit den PWM- und ADC-Modulen gekoppelt ist. Als Ergebnis können diese MCUs bis zu zwei Motoren über FOC ansteuern und verfügen immer noch über genügend Ressourcen für die Anwendung. Das System bietet damit eine ähnliche Leistungsfähigkeit wie mit einer 120-MHz-MCU.

Bild 4: Funktionen wie die Shift-PWM-Funktion vereinfachen die FOC-Implementierung zusätzlich, indem das vom ADC gemessene Signal aufgewertet wird.

Bild 4: Funktionen wie die Shift-PWM-Funktion vereinfachen die FOC-Implementierung zusätzlich, indem das vom ADC gemessene Signal aufgewertet wird. Toshiba

Zu den weiteren Optimierungen zählen ein PWM-Shift-Modus, der dem ADC im Single-Shunt-Betrieb mehr Zeit für die Durchführung von Wandlungen bietet. Das Tastverhältnis der PWM-Ausgänge bleibt gleich, aber die Beziehung zwischen steigenden und fallenden Flanken wird zugunsten der Strommessung geändert. Dies führt zu einem deutlich glatteren Strommesssignal, das in die A-VE eingespeist wird und wenig oder gar keine Filterung erfordert. Das PWM-Modul verfügt auch über eine Phaseninterpolationsfunktion, die den Treppeneffekt auf der Sinuswellenform ausgleicht. Als Ergebnis vereinfacht sich die FOC-Antriebssteuerung erheblich, während sie gleichzeitig auf einer zuverlässigen ARM Cortex-M4F MCU-Plattform zur Verfügung steht.

Die A-VE lässt sich direkt mit drei Funktionsaufrufen programmieren: Start, Stopp und der Funktion „Parameter konfigurieren“. Einmal initialisiert, ist die A-VE hochgradig deterministisch und erfordert nur wenig Interaktion mit dem Prozessor. Die Fließkommaeinheit des Cortex-M4F bleibt für die Anwendung voll verfügbar, da die Rechenlast der Vektormathematik vollständig auf die A-VE ausgelagert ist.

Wie sich MCUs als Steuerung nutzen lassen, lesen Sie auf Seite 3.

 

MCUs als Steuerung

Die MCUs der TXZ4-Serie von Toshiba sind unter anderem für den Einsatz in Haushaltsgeräten ausgelegt, insbesondere wenn der Standard IEC 60730 einzuhalten ist. Speicher- und Prozessortests sind wesentlich einfacher zu implementieren, da die Antriebssteuerung quasi autonom ist und viel Prozessorzeit für andere Aufgaben übrig bleibt. Dazu zählt auch das Einbinden der Zielanwendung.

Bild 5: Das Aktivieren oder Deaktivieren der Compiler- oder Debug-Optimierungen hat aufgrund der minimalen Software-Implementierung von Funktionen nur geringen Einfluss auf die Ausführung des FOC-Algorithmus.

Bild 5: Das Aktivieren oder Deaktivieren der Compiler- oder Debug-Optimierungen hat aufgrund der minimalen Software-Implementierung von Funktionen nur geringen Einfluss auf die Ausführung des FOC-Algorithmus. Toshiba

Da wenig von der Motorsteuerung in Software implementiert werden muss, haben Compiler-Optimierungen oder das Ein-/Ausschalten der Debug-Unterstützung einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Antriebssteuerung. Dies ist hilfreich, wenn Code-Probleme während der Entwicklung zu lösen sind. Entwickler können auch das umfangreiche Entwicklungs-Ökosystem von ARM nutzen, zu dem gängige integrierte Entwicklungsumgebungen und Debugging-Hardware gehören. Zusätzlich bieten die MCUs eine Programm-Trace-Funktion in Hardware, um die Ursache von Programmfehlfunktionen während der Codeausführung festzustellen, ohne den Systemdeterminismus zu beeinflussen. Daten-Watchpoints ermöglichen in Entwicklungsumgebungen eine quasi Echtzeit-Visualisierung wichtiger Variablen wie ADC-Messungen, ohne dabei die Codeausführung zu beeinträchtigen. Auch Portierungen gängiger Echtzeitbetriebssysteme wie beispielsweise Free-RTOS stehen bereit, was die Anwendungsentwicklung vereinfacht.

Weitere Software-Tools unterstützen das Abstimmen der FOC-Regelparameter und Proportional-/Integralregelung. Das Parameter-Tuning-System (PTS) misst den Widerstand und die Induktivität des Motors bei verschiedenen Motorlasten und liefert Koeffizienten für die Proportional-Integral-Regelung, die sich anschließend in den Anwendungscode eingegeben lassen.

Mit einer großen Auswahl an Möglichkeiten kann es schwierig sein, die FOC-Antriebssteuerung zu finden, die den speziellen Anforderungen einer Anwendung am besten entspricht. Ist die FOC-Antriebssteuerung vollständig in die Software implementiert, kann sich die Entwicklung des Systems und die Fehlersuche als schwierig erweisen. Umgekehrt lösen die hoch entwickelten MCU-basierten Hardware-Lösungen, die jetzt zur Verfügung stehen, die grundlegenden Probleme in Bezug auf die feldorientierte Regelung. Sie sind in der Lage, die Komplexität der FOC-Antriebssteuerung in eng gekoppelter Peripherie zu verbergen, die ausschließlich für diesen Zweck vorgesehen ist und dennoch den notwendigen Spielraum für die Einbindung aller verbleibenden Aufgaben auf Systemebene bietet.

Frank Malik

Principal Engineer bei Toshiba

(prm)

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