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.

 

Seite 2 von 3123