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Motorsteuerungen Beständige Weiterentwicklung bei MCUs

Autor / Redakteur: Joachim Hüpper* / Holger Heller

Manche Mikrocontrolleranwendungen entwickeln sich sprunghaft weiter, z.B. wenn neue Algorithmen zum Einsatz kommen. Nicht so die elektrischen Motorsteuerungen, die sich seit langer Zeit weitgehend proportional zu den Fähigkeiten der eingesetzten Halbleiter stetig weiter verbessern. Schlagzeilen machen diese kontinuierlichen Verbesserungen selten, dafür sind sie umso nachhaltiger, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass nicht nur die Steuerung immer besser sondern auch preiswerter wird.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Elektrische Motorsteuerungen sind zu dem ein Beispiel für lang anhaltende Markführerschaft europäischer Unternehmen. Europa ist technologisch führend und das Zentrum der Motorenkompetenz weltweit – ein europäischer Industriezweit also, der im Schatten mehr beachteter Anwendungen wächst und gedeiht und viele Arbeitsplätze schafft – zumeist in mittelständischen Firmen. Diese bauen ca. 3 Mio. industrielle elektrische Motorsteuerungen pro Jahr, kleine Antriebe wie sie in Waschmaschinen zum Einsatz kommen nicht mitgerechnet.

Die Motorsteuerungsindustrie verwendet im Wesentlichen zwei Systemstrukturen (Bild 1). Im ersten Fall gibt es eine leistungsfähige MCU, die nicht nur den Motor steuert sondern auch andere Aufgaben übernimmt. Im zweiten Fall gibt es einen Block für die Motorsteuerung und einen weiteren für die anderen Aufgaben, vor allem für die Kommunikation. Der Motorsteuerblock muss nicht immer ein Mikrocontroller sein, es kommen auch ein DSP oder FPGA/ASIC in Frage, die in manchen Fällen erhebliches Knowhow des Herstellers beinhalten. Der Trend geht jedoch langsam in Richtung von Struktur 1, aus Kostengründen und da der Trend der steigenden Halbleiterintegration diesen auch technisch fördert. Beide Systemstrukturen können in der Regel noch um räumlich getrennte Kommunikationsmodule erweitert werden und zwar für diejenigen Kommunikationsschnittstellen, die vom Kunden als separate Option bestellt werden müssen.

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Die Herausforderung für die Hersteller der Antriebe ist es, im stetigen Wettrennen um die besten Antriebseigenschaften die Nase vorn zu behalten. Da in beiden Systemstrukturen das wichtigste Bauelement der Mikrocontroller ist, der den Motor steuert, gilt ihm besondere Aufmerksamkeit. Seine Merkmale bestimmen massgeblich die Leistungsfähigkeit der Steuerung. Zu den wichtigsten Eigenschaften zählen:

  • die Rechenleistung: noch vor 5 Jahren waren MCUs ab ca. 10 MIPS üblich, in neuen Entwicklungen sind es mindestens 50 Dhrystone MIPS. In hochpräzisen Antrieben zusätzlich eine Fließkommaeinheit (FPU).
  • Timer: mit speziellen PWM-Modi, Totzeitgenerierung, Not-Aus und Encodereingängen. Möglichst autonom, d.h. mit wenig CPU-Belastung auskommend.
  • A/D-Wandler: mindestens 10, besser 12 Bit Auflösung und wenige µs Wandlungszeit, sowie mindestens zwei, besser drei Sample-&-Hold-Glieder zur Messung des Stromes in 2 bzw. allen 3 Phasen gleichzeitig.

Schnittstellen und Leistungsfähigkeit

Im Falle des Systemstruktrur 1 müssen die wichtigsten Schnittstellen alle in die MCU integriert sein. Bei der Systemstruktur 2 benötigt der den Motor steuernde Mikrocontroller nur ein paar serielle Schnittstellen. Die System-MCU benötigt hingegen keine besonders leistungsfähigen Timer oder schnelle und hochauflösende A/D-Wandler, dafür aber die wichtigsten Schnittstellen. In neuesten Entwicklungen wird gelegentlich sogar versucht, möglichst viele Schnittstellen dort vorzusehen, mit dem Ziel bisher optionale Schnittstellen in Zukunft als Standardausstattung anzubieten. Insbesondere CAN und Ethernet gewinnen hier stark an Gewicht, aber auch USB. CAN ist wichtig, da die hohe Zuverlässigkeit der Kommunikation gut zu Antrieben passt, denn im Notfall muss dieser schnell und zuverlässig angehalten werden oder zum Beispiel seine Drehrichtung ändern.

Ethernet ist bisher eine Option, wird aber neben den alteingesessenen Feldbussen wie Profibus immer mehr verlangt, denn immer mehr Fabriken verwenden jetzt auch diesen aus dem Bürobereich bekannten und kostengünstigen Bus und zwar vor allem zwischen den (mehreren) Antrieben und dem zentralen Steuerungsrechner. Sicherheitskritische Funktionen werden nach wie vor dezentral am Antrieb behandelt. USB-Host kann z.B. dazu dienen, neue Software einfach per USB-Stick einzuspielen, oder um Langzeitlastdaten auf einen USB-Stick aufzunehmen. USB-Function kann dazu dienen, das Notebook eines Servicetechnikers anzuschliessen.

Die MCUs von Renesas werden in 2 von 3 Mio. der Antriebe in Europa verwendet. Die meisten der neuen SH-MCUs sind gezielt für elektrische Motorantriebe entwickelt worden und bieten hohe Rechenleistungen sowie schnelle Interruptreaktionszeiten bis zu 30 ns. Sie liefern 65 bis 480 MIPS, teilweise auch mit Single- und Double-Precision FPU, beinhalten entsprechend geeignete A/D-Wandler und fast alle verwenden die neue MTU2-Timereinheit. Der SH7147F soll als Beispiel dienen. Er hat 256 KByte MONOS Flash mit nur 12,5 ns Zugriffszeit, das 100% deterministischen Betrieb ermöglicht, da das Flash die 80 MHz Takt ohne Waitstates laufen lässt und so auch kein Cache im Falle von Cache-Miss-Latenzzeiten hervorruft (siehe Kasten). Die Rechenleistung liegt bei über 100 Dhrystone MIPS.

Es liegen zwei Timereinheiten vor: MTU2 und MTU2S. Letztere ist eine Untermenge der MTU2, nämlich eine Kopie genau der Kanäle der MTU2, die einen Motor steuern können. Der SH7147F kann also zwei Motoren steuern. Dies wird auch durch entsprechende A/D-Wandler unterstützt, nämlich gleich zwei unabhängige Einheiten mit jeweils 3 S&H, 12 Bit Auflösung und 1,25 µs Wandlungszeit. Die MTU2 verwendet lediglich ein Drittel seiner Kanäle für die 3-Phasen-PWM, hat eine ausgefeilte Totzeitsteuerung, Not-Aus und versteht Quadraturencoder-Signale. Der Baustein bietet auch 2 × CAN, 3 × serielle Ports und 1 × SPI. Um die CPU zu entlasten steht ein Data-Transfer-Controller (DTC) zur Verfügung, der alle Peripherien flexibel in DMA-Manier bedient. Der SH7147F ist mit einem 8 Bit externen Datenbus zum Anschluss externer ASICs oder Peripherie, wie z.B. eines Ethernet NIC, ausgestattet (Bild 2).

In vielen Antrieben reicht es aus, wenn die Ströme in drei der zwei Phasen zeitgleich gemessen werden, denn die dritte Phase kann dann aus den Werten der anderen beiden Phasen berechnet werden. Bei sehr schnell drehenden Motoren stößt man aber an die Grenzen dieser Methode und so sind A/D-Wandler mit drei Sample & Hold zur gleichzeitigen Messung in allen drei Phasen erforderlich. Die MTU2-Timereinheit bietet außerdem noch programmierbares Interrupt-Skipping. Die MTU2 kann dabei so programmiert werden, dass sie bis zu sieben Interrupts nicht auslöst, denn bei 80 MHz Timertakt könnte die Belastung für die CPU erheblich sein obwohl es im Normalbetrieb des Motors oft gar nicht nötig wäre, jeden Interrupt zu bedienen.

Die SH-MCUs für elektrische Motorantriebe sind skalierbar. Der SH7147F ist ein Beispiel aus dem Mittelfeld und bietet doch auch schon alle heute notwendigen Eigenschaften, um die Antriebe der nächsten Generation zu entwickeln.

MONOS-Flash

MONOS Flash steht für „Metal Oxide Nitride Oxide Silicon“, wobei die Nitridschicht zwischen dem Floatinggate (zur Bitspeicherung) und dem Substrat entscheidend ist. Diese Schicht bewirkt, dass im Falle einer temporären Störung nur die Elektronen an der Stelle der Störung abfließen. Das Floatinggate droht also nicht „leerzulaufen“. In Folge dessen kann die Zelle bei hoher Zuverlässigkeit sehr klein ausgelegt werden – und klein bedeutet schnell. Ferner lassen sich mit MONOS Flash-Module bis zu 2 MByte (2007 bis zu 4 MByte) realisieren.

Renesas, Tel. +49(0)89 380700

*Joachim Hüpper ist Marketing Manager bei Renesas Technology Europe, München.

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