Hochpräzise Aktuatorsteuerung

EBV Elektronik

Gemeinsam mit zwei großen Unternehmen, die im Bereich der Automobiltechnik tätig sind, hat Freescale einen Chip zur hochpräzisen Ansteuerung von Aktuatorspulen entwickelt, der jetzt auch unter der Bezeichnung SolexDrive auf dem freien Markt erhältlich ist – und zwar exklusiv von EBV Elektronik.

Ohne EBV würden nur die beiden Automobilkunden den IC nutzen, obwohl der Baustein auch in vielen anderen Anwendungen diverse Design-Probleme elegant lösen kann. Das Grundprinzip von EBVchips besteht ja darin, neue Märkte und neue Möglichkeiten zu eröffnen, die zuvor nicht bestanden – und genau das ist EBV Elektronik auch hier wieder gelungen.

Die Zielsetzung bei der Entwicklung von SolexDrive bestand darin, den bestmöglichen IC zur Ansteuerung von Einspritzdüsen für Diesel- und Benzinmotoren mit besonders geringen Emissionen zu entwickeln. In dieser Automotive-Anwendung treibt SolexDrive externe MOSFETs, die wiederum mit den Injektoren verbunden sind. Bei diesen Injektoren handelt es sich im Prinzip um Aktuatorspulen allerhöchster Präzision.

Auf den ersten Blick ist es vielleicht ungewöhnlich, dass dieser ursprünglich aus der Automobil-Branche stammende Chip jetzt Teil des EBVchip-Programms ist, aber EBV Elektronik hat erkannt, dass auf dem Markt eine große Nachfrage nach Schaltungen zur Ansteuerung von hochpräzisen Aktuatorspulen besteht.

Kontinuierlich steuern, statt nur Auf oder Zu

In vielen Applikationen gab es oft nur die Möglichkeit, ein Ventil so anzusteuern, dass es entweder „Auf“ oder „Zu“ ist. Eine exakte Dosierung ist mit einer derartigen digitalen On/Off-Steuerung nur sehr schwer möglich. Vor allem beim Abschalten kann bei der digitalen On/Off-Steuerung nämlich sehr leicht noch eine zusätzliche Menge der zu steuernden Substanz (zum Beispiel Wasser oder technisches Gas) durch das Ventil gelangen, was entweder zu Ungenauigkeiten bei der Dosierung oder zu unnötigem Verbrauch und damit zu Mehrkosten beziehungsweise Überstrapazierung von Ressourcen führt. Mit einer kontinuierlichen Steuerung ist auch eine exaktere Regelung möglich.

Bisher gab es zur Ansteuerung von Spulen oft nur die Funktionen An oder Aus, aber mit SolexDrive besteht die Möglichkeit, eine hochpräzise Pulsbreitenmodulation zur exakten Steuerung der Spule einzusetzen. Je nach Anwendung kann es sich hierbei um die Ansteuerung einer linearen Spule handeln oder auch um die Ansteuerung eines Motors zur Drehzahlregelung in Gleichstrommotoren und Universalmotoren. In Kombination mit Highside- beziehungsweise Lowside-Treibern ergeben sich hier viele Möglichkeiten.

Bessere EMV, präzisere Dosierung

Von Notfällen einmal abgesehen ist normalerweise kein besonders schnelles Verstellen eines Ventils notwendig. Gerade beim schnellen Verstellen, wie es im Rahmen einer digitalen On/Off-Steuerung der Fall ist, fließen hohe Ströme in die Spule. Die besonders hohen Einschaltströme verursachen dabei diverse schaltungstechnische Probleme: Zum einen müssen die Ansteuerungsbausteine inklusive ihrer Schutzschaltung entsprechend hoch dimensioniert sein und zum anderen entstehen durch die hohen Ströme auch beachtliche EMV-Probleme. Außerdem haben die großen Einschaltströme einen erheblichen (aber unnötigen) Energieverbrauch zur Folge und müssen zudem manchmal sogar noch kompensiert werden. Die sehr hohen Ströme beziehungsweise Rückströme/Gegenströme, denen die Aktuatorspulen im Rahmen einer digitalen On/Off-Ansteuerung ausgesetzt sind, beanspruchen diese Bauteile äußerst stark, so dass sie im Betrieb relativ häufig ausgetauscht werden müssen.

Mit SolexDrive lassen sich diese hohen Stromspitzen über eine kontinuierliche PWM-Steuerung vermeiden, wodurch der EMV-Aufwand geringer wird, während die Präzision steigt und sich gleichzeitig die Lebensdauer der Aktuatorspulen signifikant erhöht, weil die durch Entladungen bedingten Probleme abnehmen.

SolexDrive in industriellen Anwendungen

Vereinfachtes Blockdiagramm eines Anwendungsbeispiels mit dem SolexDrive von EBV Elektronik. EBV Elektronik

Typische Anwendungsmöglichkeiten für SolexDrive finden sich beispielsweise in Robotern, die über mehrere Aktuatoren verfügen, sowie in vielen anderen Applikationen, in denen eine elektronische Ansteuerung von Spulen notwendig ist: von Abfüllstationen bis zu medizinischen Geräten. Immer dann, wenn ein Treiber für Aktuatorspulen, Ventile, induktive Positionsaktuatoren, Flüssigkeits- und Gas-Regler, industrielle Durchflussmesser, verteilte Lüftungssteuerung, Linear-Aktuatoren, professionelle Beregnungsanlagen im Bereich Gartenbau uns so weiter benötigt wird, kann SolexDrive der richtige IC sein.

Obwohl das Bauelement in manchen Anwendungen nicht in seiner ganzen Komplexität notwendig ist, kann es dennoch sehr nützlich sein, weil sich damit beispielsweise Platz auf der Leiterplatte sparen lässt oder weil sich durch die Schutz- und Diagnoseschaltungen eine höhere Zuverlässigkeit ergibt.

Auch in diversen Motor-Applikationen jenseits des Automobils, die ebenfalls einen optimierten Wirkungsgrad benötigen, gibt es vielversprechende Anwendungen für SolexDrive. Ein gutes Beispiel dafür sind Motoren, die in nautischen Applikationen, Booten, Schneemobilen, Nutzfahrzeugen, Motorrädern oder Bau- und Landmaschinen zum Einsatz kommen.

Selbst in Relais befinden sich bekanntlich Spulen, die allerdings systembedingt nur in zwei Zuständen verweilen: ein oder aus. Aufgrund des attraktiven Preises von SolexDrive eignet sich dieser Baustein sogar zur Ansteuerung von Relais, bei denen eine Rückmeldung beziehungsweise Diagnose sowie eine entsprechende Schutzbeschaltung erforderlich ist. In diesen Anwendungen ist der EBVchip ebenfalls in der Lage, den auf die Relais wirkenden elektrischen Stress sowie die Einschaltströme beachtlich zu verringern. Insgesamt lassen sich mit einem SolexDrive elf Relais gleichzeitig steuern: fünf in Highside-Konfiguration und sechs in Lowside-Konfiguration.

Das Herzstück: vier Micro-Cores

SolexDrive arbeitet mit zwei voneinander unabhängigen Kanälen, von denen jeder zwei Micro-Cores enthält, so dass sich in Summe vier Micro-Cores auf dem Chip befinden. Bei diesen Micro-Cores handelt es sich um ganz einfache Mikrocontroller, die aber völlig unabhängig arbeiten können. Damit lassen sich beispielsweise bei einem Vierzylinder-Motor vier völlig unterschiedliche und voneinander unabhängige Sequenzen zur Ansteuerung der Injektoren realisieren.

Über eine SPI-Schnittstelle können die Sollwerte, wie auch das Diagnosefeedback der Micro-Cores von einem typischen Mikrocontroller auf Basis von TriCore, PowerPC uns so weiter, wie er in Motorsteuerungen üblich ist, vorgegeben beziehungsweise ausgelesen werden. Aus diesem Signal erzeugt SolexDrive dann die passenden pulsbreitenmodulierten Treibersequenzen für die Ansteuerung der MOSFETs.

Der Chip verfügt über zwei Kanäle, und jeder einzelne Kanal enthält unter anderem zwei Sequencer sowie zwei Micro-Cores. SolexDrive kann fünf Highside-Treiber mit fünf Diagnose-Leitungen und sechs Lowside-Treiber mit sechs Diagnose-Leitungen treiben.

In den Micro-Cores befindet sich keinerlei ROM oder Flash-ROM, sondern ausschließlich Speicher des Typs RAM. Dadurch müssen während der Initialisierung die passenden Koeffizienten in das RAM geladen werden, während andererseits die Möglichkeit besteht, die Koeffizienten dynamisch zu verändern.

Die intelligente Lösung

SolexDrive ist deshalb so eine elegante Lösung, weil die integrierten Micro-Cores in Echtzeit die komplette Steuerung über die gesamte Einschaltdauer hinweg übernehmen: Für jede einzelne Phase vom Off-Zustand über die Boost-Phase, das Einregeln um den Spitzenwert herum und die Abfall-Phase sowie das dynamische Aufrechterhalten des Hold-Zustands bis zum Abfallen aus dem Hold-Zustand zurück in den ausgeschalteten Zustand (Off) lassen sich diverse Minimal- und Maximalwerte definieren. Der Micro-Core sorgt dann dafür, dass diese Werte auch eingehalten werden, indem er beispielsweise vorher individuell einprogrammierte Zielwerte für den maximalen und den minimalen Spitzen- beziehungsweise Hold-Wert genauso wie diverse Timing-Parameter ständig mit den Ist-Werten vergleicht.

Um diese komplexe Abwicklung müssen sich die Entwickler somit überhaupt nicht kümmern; sie sorgen vielmehr nur dafür, dass der Mikrocontroller zunächst die entsprechenden Strom- und Timing-Vorgaben über die SPI-Schnittstelle an SolexDrive liefert. Den Rest erledigt und regelt der EBVchip, indem er die Ströme an das Verhalten der individuellen Aktuatorspule anpasst.

Mit der steigenden Flanke des Triggersignals vom Mikrocontroller beginnt der an den Aktuator gesandte PWM-Stromimpuls, und mit der abfallenden Flanke dieses Signals endet er. SolexDrive misst hierzu den tatsächlich durch die Spulen fließenden Strom, so dass eine genaue Rückmeldung aus dem Spulen-Stromkreis existiert. Auch die erforderlichen Schutzbeschaltungen mit den zugehörigen Diagnose-Funktionen sind auf dem Chip enthalten.

Ein auf dem Chip integrierter Crossbar-Switch versetzt die Entwickler in die Lage, die einzelnen Kanäle einem der vier integrierten Sequencer zuzuweisen. Dadurch kann SolexDrive mit einem Sequencer unterschiedliche Kanäle bedienen. Es gibt vier digitale Sequencer, und jeder einzelne Sequencer kann unterschiedliche Kanäle managen.

Auch ein DC/DC-Wandler befindet sich auf dem Chip, um so das Ansteuern von Highside-MOSFETs zu ermöglichen, die bekanntlich am Gate eine höhere Spannung benötigen als an der Source. Die MOSFETs lassen sich dann – mit der obligatorischen Freilaufdiode – zusammen direkt am Ausgang des ICs anschließen; die erforderlichen Schutzschaltungen sind ebenfalls bereits in SolexDrive integriert.

SolexDrive kann an seinem Ausgang pulsbreitenmodulierte Signale mit bis zu 100 kHz zur Verfügung stellen und dabei MOSFETs mit einem Ladungsbedarf von 30 nC (maximal 50 mC) ansteuern.

(jj)