Was sind Echtzeitregelungen und wofür werden sie benötigt?

Als Konsumenten haben wir es Tag für Tag mit Systemen zu tun, die ihre Umgebung erfassen und entsprechend agieren. Tritt man im Auto auf das Gaspedal, beschleunigt das Fahrzeug nahezu sofort und ohne dass eine Verzögerung zwischen Fußbewegung und Beschleunigung spürbar wäre.

Was hat dieses Beispiel nun aber mit dem Thema dieses Artikels zu tun? Stellt man sich das Auto als das eingangs erwähnte System vor, mit dem Betätigen des Gaspedals durch die Umgebung und mit der Fahrzeuggeschwindigkeit als das Ausgangssignal, so implementiert das System tatsächlich eine Echtzeitregelung. Echtzeitfähig ist ein geregeltes System dann, wenn es innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters Daten erfassen und verarbeiten und entsprechend reagieren kann. Verpasst das System dieses definierte Zeitfenster, leiden seine Stabilität, Präzision und Effizienz. Eine beeinträchtigte Regelung aber kann zulasten der Leistungsfähigkeit des Systems gehen, indem beispielsweise eine notwendige Geschwindigkeit nicht erreicht wird oder es gar zu einer Überhitzung kommt. Der folgende Artikel erläutert die Funktionsabschnitte einer Echtzeitregelung und beschreibt als Beispiel eine Anwendung aus der Robotik.

Das sind die wichtigsten Funktionsblöcke einer Echtzeitregelung

Eines noch vorweg: Auch wenn sie nicht unbedingt in die Regelung des Systems eingebunden ist, sollte die Kommunikation mit anderen Systemen mit der Haupt-Regelschleife koexistieren. Die wichtigsten Funktionsblöcke einer Echtzeitregelung sind gemäß Bild 1 die Sensorik (Erfassen der Daten), die Regelung (Auswertung und Anwendung der Daten) und der Aktor (Aktualisierung des Systems).

Auf diese Abschnitte soll nun genauer eingegangen werden.

• Unter der Sensorik ist die Messung externer Größen zu verstehen (z. B. Spannung, Strom, Motordrehzahl oder Temperatur). Diese wichtigen Parameter müssen exakt gemessen werden, um dem System zuverlässige, zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste Daten zur Verfügung stellen zu können.
• Die zentrale Verarbeitungseinheit verarbeitet die ankommenden Daten mithilfe bestimmter Regelungsverfahren, um das nächste Ausgangssignal zu berechnen. Mikrocontroller (MCUs) oder Controller wie etwa die Echtzeit-MCUs der C2000-Familie, die Arm-basierten MCUs der Sitara-Reihe, integrierte Treiber für bürstenlose Gleichstrommotoren und DC/DC-Regler mit integrierten, aufwändigen Verarbeitungsfähigkeiten können dazu beitragen, dass das jeweilige System das gesetzte, meist zwischen Mikrosekunden und einigen Millisekunden große Zeitfenster einhält.
• Die Stellfunktion (Aktor) ist die Anwendung der berechneten Stellgröße auf das System mit dem Ziel eines geregelten Ausgangs. Ein Beispiel hierfür ist das Verändern des Tastverhältnisses eines Pulsweiten-Modulators (PWM). Zu den TI-Produkten, die die Stellfunktion aufwerten können, gehören analoge Treiber, isolierte Gatetreiber und Galliumnitrid-FETs (GaN) mit integrierten Gatetreibern.
• Schließlich ermöglichen deterministische, schnelle Kommunikationsschnittstellen wie das Fast Serial Interface oder Ethernet eine zeitnahe Kommunikation des Systems mit externen Bauelementen oder internen Komponenten.

In der Robotik etwa sorgen Echtzeitregelungen für die präzise Kontrolle der Position und Drehzahl eines Motors, um einen Roboterarm mit einer Genauigkeit von <100 µm zu positionieren. Möglich ist diese hohe Präzision dank der fortlaufenden Messung nicht nur der Motorströme und -spannungen, sondern auch der Motorposition. Die Verarbeitungseinheit vergleicht die gemessenen Werte mit den berechneten Werten, wie in Bild 2 gezeigt. Anhand der dabei gewonnenen Ergebnisse passt die Verarbeitungseinheit das an den Motor gegebene PWM-Signal an. Der gesamte beschriebene Prozess muss in wenigen Mikrosekunden ablaufen, um die Genauigkeits- und Timing-Anforderungen des Systems einzuhalten.

Die Echtzeitregelung bildet auch die Grundlage für effiziente und zuverlässige Stromversorgungs-Systeme. Zum Beispiel hält eine Echtzeitregelung die Ausgangsleistung einer Ladestation stabil und regelt den in die Batterie eines Elektrofahrzeugs fließenden Strom so, dass die Lebensdauer der Batterie maximiert und einer Überhitzung vorgebeugt wird. Kombiniert man die Echtzeitregelung mit einem Mikrocontroller und neuen Technologien wie etwa GaN, lässt sich die Leistungsdichte und Effizienz verbessern, indem ein Beitrag zur Minimierung der Verluste in der jeweiligen Applikation geleistet wird.

Extrem schnelle Regelschleifen

Die fortlaufende Leistungssteigerung moderner Antriebssysteme hat auch die Anforderungen an die Echtzeitregelung entsprechend wachsen lassen. Schnelle und präzise CNC-Maschinen (z. B. Fräs- und Drehmaschinen) kommen beispielsweise bei Drehzahlen von über 20.000∙min^-1 auf Genauigkeiten von besser als 5 µm. Möglich ist eine solche Funktionalität nur mit extrem schnellen Regelschleifen, bei denen zwischen der Messung eines Signals und der Ausgabe der Stellgröße typisch weniger als eine Mikrosekunde vergeht.

Aufgrund der höchst zeitsensiblen Rechen-Anforderungen nutzen viele Designer eine Kombination aus Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), schnellen externen A/D-Wandlern und mehreren MCUs. Die C2000-MCUs und die Sitara-Prozessoren von TI aber bieten einen hohen Grad an Analog-Integration, sodass sie eine Stromregelschleife sehr schnell, nämlich in weniger als 1 µs verarbeiten können. Durch den Einsatz einer solchen schnellen Stromregelung in modernen Regelungs-Topologien lassen sich bei niedrigeren Kosten kleinere und leistungsfähigere Systeme entwickeln.

Vorprogrammierte Regelungs-Algorithmen

Weitere Kostensenkungen sind mit vollintegrierten Lösungen wie dem Motortreiber MCF8316 von TI realisierbar. Bausteine dieser Art enthalten vorprogrammierte Regelungs-Algorithmen für bürstenlose Gleichstrommotoren, die nur noch der Feinabstimmung bedürfen. Diese kann über eine einfache I²C-Schnittstelle vom Mikrocontroller aus vorgenommen werden, indem das integrierte EEPROM während des Systemdesigns entsprechend konfiguriert wird. Enthalten ist jedoch auch eine hardwaremäßig vorgegebene Konfiguration, damit eine Abstimmung des Motors auch ohne MCU möglich ist. Der MCF8316 enthält sechs MOSFETs für die Bestromung des Motors, sodass in einem nur 7 mm × 5 mm messenden Gehäuse eine komplette Echtzeit-Motorregelungslösung zur Verfügung steht.

Echtzeitregelungen sind ein wichtiger Bestandteil von Anwendungsgebieten wie etwa Netzinfrastrukturen, Geräten, Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieb, Stromversorgungen, Antrieben und Robotik. In allen diesen Anwendungen ist es zunehmend notwendig, immer kleinere Zeitfenster einzuhalten, um immer kürzere Reaktionszeiten zu erzielen. Sensorik-, Verarbeitungs-, Regelungs- und Kommunikations-Technologien von TI sorgen insgesamt für hohe Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit sowie latenzarme Reaktionen, sodass sich kompaktere, zuverlässige Echtzeitregelungs-Systeme implementieren lassen. (neu)