Feldorientierte Steuerungen effizient entwickeln

| Autor / Redakteur: Patrick Heath * / Michael Eckstein

Null Toleranz: Präzise Steuerungen für Elektromotoren sind nicht zuletzt Voraussetzung für robotergestützte industrielle Fertigungsanlagen.
Null Toleranz: Präzise Steuerungen für Elektromotoren sind nicht zuletzt Voraussetzung für robotergestützte industrielle Fertigungsanlagen. (Bild: Clipdealer)

Für den Einsatz in elektrischen Motoren optimierte Mikrocontroller und digitale Signalcontroller erleichtern das Design und die Programmierung komplexer FOC-Steuerungen.

Es gibt zahlreiche Motorbauarten – vom Schrittmotor, der in einer Anwendung eine hochgenaue Positionierung sicherstellen muss, bis hin zu großen Wechselstrom-Induktionsmotoren mit hohem Drehmoment für industrielle Misch- und Verarbeitungsprozesse. Die Auswahl hängt oft nicht nur von der Anwendung ab, sondern auch von ihrer Umgebung. Im Kfz-Umfeld beispielsweise ist vor allem die Fähigkeit eines Betriebs an einer Niederspannungs-Batterie anstelle von Wechselstrom wichtig. Dies begünstigt den Einsatz von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren (Brushed DC, BDC), bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC, BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMS).

Netzbetriebene Konsumgeräte wie Wasch- und Industriemaschinen nutzen ein Design auf der Basis eines Wechselstrom-Induktionsmotor, da dieser direkt am 120V- oder 230V-Netz oder an einer Energiequelle mit höherer Spannung arbeiten kann. Selbst wenn eine Dreiphasen-Stromversorgung mit höherer Spannung verfügbar ist, bevorzugen industrielle Anwender Hochspannungs-BLDC oder PMS-Motoren für ihre Systeme, da diese konstruktionsbedingt ein höheres Drehmoment bei geringeren Drehzahlen als Wechselstrom-Induktionsmotoren bieten.

Die Konsequenz: Die Auswahl eines Motordesigns und die Anwendungsanforderungen beeinflussen ganz erheblich die Steuerungsstrategie und damit auch die zu ihrer Implementation genutzte Elektronikplattform. Die denkbar einfachste Motorsteuerung besteht lediglich aus einem Schalter oder Spannungsregler. Üblicherweise nutzt man den Parameter Volt pro Hertz für einfache Designs bei Wechselstrom-Induktionsmotoren. Dieses Vorgehen führt aber zu einem geringen Drehmoment, wenn der Motor langsam läuft, was in vielen Anwendungen inakzeptabel ist.

Mit komplexen Steuerstrategien lassen sich viele Nachteile eines bestimmten Motortyps kompensieren. Ein Beispiel: Auch wenn sich ein Schrittmotor per Definition eigentlich in festgelegten Winkelschritten dreht, ist es doch möglich, mithilfe innovativer Steuertechniken wie Micro-Stepping eine hochauflösende Positionierung und eine flüssige Bewegung zu erreichen.

FOC: Steuerstrategien für hohes Drehmoment

Leistungsfähige, feldorientierte Steuerstrategien (Field-Oriented Control, FOC) für elektrische Antriebe nutzen mathematische Modelle des Magnetflusses im Inneren des Motors für das genaue Ermitteln, wann Energie an jede der Motor-Phasen geliefert werden muss. FOC überwindet viele der Motorsteuerungsprobleme, unter denen weniger ausgefeilte Strategien wie Volt pro Hertz leiden. FOC ermöglicht ein hohes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich und bietet eine hohe Positionierungsgenauigkeit ohne teure Sensoren – der an der Motorwicklung gemessene Strom liefert einem mathematischen Modell die nötigen Informationen zum Bestimmen der Rotor-Position relativ zu den Stator-Wicklungen.

Je nach Anforderung ist oft eine Kombination unterschiedlicher Motortypen nötig, um die geforderte Genauigkeit zu erreichen. Mehrachsen-Roboter und CNC-Maschinen verlangen zum Beispiel höchste Genauigkeit. Aufgrund der hohen Leistungsanforderungen nutzen Entwickler oft High-Speed-DSPs (Digitale Signalprozessoren) oder sogar FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Diese Controller können die Aktivität mehrerer Motoren gleichzeitig zum Bewegen von Roboter-Armen und Werkzeugmaschinen über genau definierte Pfade mit Hilfe von Servo-Encodern zur Rückmeldung von Positionsinformationen koordinieren.

Ausgangsleistung in Echtzeit einstellen

Unter den vielen Faktoren, die einen Einfluss auf das Motorsteuerungs-Design haben, gibt es einen langfristigen Trend: das Streben nach höherer Energieeffizienz. Insbesondere für Systeme, die im Dauerbetrieb oder über lange Zeiträume arbeiten müssen. Neben der Nutzung von FOC-basierten Methoden zur Verbesserung des internen Motorwirkungsgrades gewährleisten leistungsfähige Algorithmen einen besseren Wirkungsgrad, indem sie die Ausgangsleistung in Echtzeit einstellen, anstatt den Motor nur bei einer konstanten Drehzahl zu betreiben. Zusätzlich sind Zuverlässigkeit und Kosten wichtige Kriterien, die ebenfalls einen Einfluss auf die Wahl des Motortyps haben. Diese Überlegungen betreffen sowohl die Auswahl von MCUs als auch die der Motoren.

Viele Möglichkeiten: Entwicklungsplatine für die Niederspannungs-Motorsteuerung von BLDC- und PMSM-Anwendungen.
Viele Möglichkeiten: Entwicklungsplatine für die Niederspannungs-Motorsteuerung von BLDC- und PMSM-Anwendungen. (Bild: Microchip Techology)

Für Haushaltsgeräte und Automobilesysteme setzen Entwicklerteams zunehmend Permanentmagnet-unterstützte, synchrone Reluktanz-Motoren (Permanent Magnet-Assisted Synchronous Reluctance, PMASR) und Motoren mit innenliegenden Permanentmagneten (Interior-Permanent Magnet, IPM) ein. Beispiele dafür sind Kompressoren in Klimaanlagen und Kühlschränken. Diese Motoren sind teurer als herkömmliche PMS-Designs, aber auch energieeffizienter. Die Umstellung auf IPM-basierte Motoren erfordert zusätzliche Steuersoftware zur Verbesserung des Betriebs der zugrundeliegenden FOC-Algorithmen. Dabei kommen Ergänzungen wie der Maximaldrehmoment-pro-Ampere-Algorithmus (Maximum Torque Per Ampere, MTPA) und eine Phasenregelschleife zum Verfolgen des Winkels (Angle-Track Phase-Locked Loop, AT-PLL) zum Einsatz.

Spezialisierte MCUs und DSCs für Motorsteuerungen nutzen

Es gibt viele Arten von Motor-Designs. Jedes benötigt seinen eigenen Satz an Steueralgorithmen. Als Verbindung mit den Motorwicklungen kommen jedoch oft die gleichen Hardware-Peripherieschaltungen zum Einsatz. Für Motorsteuerung optimierte MCUs (Mikrocontroller) und DSCs (Digital Signal Controller) enthalten häufig eine Kombination aus intelligenten Peripherieschaltungen, die über eine Reihe unterschiedlicher Prozessor-Architekturen einheitlich sind. Motorsteuerungs-MCUs sollten eine Hardware-Unterstützung für Pulsbreiten-Modulation und Totzeit-Insertion bieten. Diese Funktion deckt ohne direkten Softwareeingriff die vielen Schaltereignisse ab, die für eine präzise Leistungssteuerung aller Motorwicklungen notwendig sind. Damit verringert sich die Anzahl der Interrupts, die der Prozessor mit jeder Umdrehung verarbeiten muss.

Eine weitere Anforderung in vielen Systemen ist ein präziser 10- oder 12-Bit-A/D-Wandler. Dieser dient zum Messen der Motorphasen-Rückkopplungsspannung und zum Ermitteln von Über- und Unterspannungs-Situationen. Manche Designs benötigen einen Operationsverstärker zum Konditionieren des Motorphasenstrom-Rückkopplungssignals, bevor dieses an den A/D-Wandler übergeben wird. MCUs mit integrierten Operationsverstärkern und Komparatoren zum Erkennen von Analogschwellen sorgen für eine geringe Bauteilzahl auf der Leiterplatte. Eine Integration von MOSFET-Leistungs-Gatetreibern mit der MCU/DSC in einem einzigen Gehäuse spart Platz auf der Leiterplatte und ist besonders wichtig für Hersteller von Automobilelektronik und Elektrowerkzeugen.

32 Bit für komplexe Berechnungen

Für viele einfachere Motorsteuerungs-Anwendungen reicht eine 8-Bit-CPU mit integrierten PWM-Controllern. Ist mehr Rechenleistung gefordert, ist der Umstieg auf ein ähnliches Produkt auf Basis einer 16-Bit Architektur empfehlenswert. Muss man beispielsweise Code für eine Rückkopplungsschleife und andere vom A/D-Wandler abgetastete Signale verarbeiten, kann die Notwendigkeit, arithmetische Operationen in 8-Bit Segmente aufzuspalten, zu Leistungs-Einschränkungen führen. In solchen Situationen ist der Umstieg auf eine 16-Bit MCU oder ein DSC vorteilhaft, wobei der DSC für komplexe Steueralgorithmen eine höhere Leistung bereitstellt.

Für innovative Motorsteuerungs-Strategien, die mathematische Modelle zum Berechnen von Bewegungspfaden und -Profilen nutzen, sind 32-Bit-Architekturen auf der Basis von ARM-Cortex-M-Prozessorkernen eine weitere Option. Der Cortex-M4 beispielsweise unterstützt Fließkomma-Berechnungen und ermöglicht damit das Umwandeln von Code, der in High-Level-Werkzeugen wie MATLAB entwickelt wurde. Microchip hat eine Software zur Vereinfachung der Implementation komplexer FOC-Algorithmen vorgestellt. Die „motorBench Development Suite“ (mB) umfasst Werkzeuge zum Extrahieren der elektrischen und mechanischen Parameter eines BLDC- oder PMS-Motors und wendet diese auf einen FOC-Algorithmus an. dabei kann der Benutzer drei Steuerschleifen zur Motorverwaltung abstimmen. Sind die Steuerschleifen und andere Parameter des Algorithmus definiert, gibt das Werkzeug eine Software-Projektdatei aus, die bereit ist für die Kompilierung durch die integrierte Entwicklungsumgebung MPLAB X. mB unterstützt mittlerweile auch Hochspannungsmotoren bis 600V.

Netzwerkunterstützung ist eine zentrale Anforderung

Auch wenn die Peripherieschaltungen in elektrischen Motorsteuerungen für eine breite Palette von Anwendungen im Großen und Ganzen einheitlich sind, benötigt man aufgrund der zunehmenden Komplexität der Systemdesigns verschiedene Varianten von MCUs und DSCs. Netzwerkunterstützung ist heute eine zentrale Anforderung für Steuersysteme im Kfz, in der Hausautomatisierung und der industriellen Steuerung. Die Fähigkeit, nicht nur Betriebs- und Fehlerdaten an Management-Systeme zu senden, sondern auch das Fernsteuern zu ermöglichen, ist bei vielen Systemen ein wichtiges Verkaufsargument.

Jeder Marktsektor hat seine eigenen Netzwerkprotokolle, die wiederum einen Einfluss auf die Auswahl der Peripherieschaltungen haben. Üblicherweise benötigen Automotive-Subsysteme Schnittstellen wie LIN oder CAN-FD. Industriesysteme nutzen meist Ethernet oder EtherCAT, wobei Wireless-Protokolle zu einer gängigen Wahl für die Integration in IoT-Umgebungen werden. Unterstützung für die Vernetzung hat oft einen starken Einfluss auf die Menge des zu speichernden Programm-Codes. Chips müssen dafür mehr integrierten Flash-Speicher bereitstellen, oft 256 kByte oder 512 kByte. Zur Unterstützung der Kommunikations-Stacks muss auch der benötigte RAM-Speicher größer werden. Eigenständige Motorsteuerungs-Anwendungen benötigten bisher typischerweise 32 kB Programm-Flash-Speicher oder weniger.

Hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit

Marktsegmente wie industrielle Steuerungen und Automobilelektronik stellen darüber hinaus strenge Anforderungen an die funktionale Sicherheit. Systementwickler müssen Standards wie IEC 60137 Class B und ISO 26262 einhalten. Das Einbinden von Speicher-Controllern mit Fähigkeiten zum Erkennen und Korrigieren von Fehlern und das Einbinden von Watchdog- und Totmann-Timern sowie Power- und Clock-Monitoren gewährleistet, dass MCUs diese Standards unterstützen können. Entwickler können Fortschritte bei der DSC-Architektur für weitere Verbesserungen der Zuverlässigkeit und Sicherheit nutzen. Verwendet ein System zwei Prozessorkerne, so kann Software, die auf jedem der Kerne läuft, das Verhalten des jeweils anderen Kerns überprüfen und vor Problemen warnen oder ein Reset auslösen, wenn die Ausführung aus einem unbekannten Grund stockt.

Doppel-Herz: Während der Master-Core des digitalen Signalcontrollers die Benutzeroberfläche berechnet sowie Systemüberwachungs- und Kommunikationsfunktionen übernimmt, führt der Slave zeitkritischen Steuercode aus.
Doppel-Herz: Während der Master-Core des digitalen Signalcontrollers die Benutzeroberfläche berechnet sowie Systemüberwachungs- und Kommunikationsfunktionen übernimmt, führt der Slave zeitkritischen Steuercode aus. (Bild: Microchip Technology)

Dual-Core-Fähigkeiten lassen sich auch auf andere Weise nutzen. Teilt man die Arbeitslast auf zwei unabhängige Prozessoren auf, so können Entwicklungsteams die Integration von Echtzeit-Motorsteuerungsoftware mit anderen Funktionen wie Vernetzung und IoT-orientierten Designs vereinfachen. Die Dual-Core-Motorsteuerungs-DSCs der dsPIC33CH-Familie unterstützen solche Anwendungen. Diese Bausteine besitzen zwei dsPIC-Prozessorkernen auf einem Silizium-Chip. Einer dient als Master-Kern, der andere als Slave. Für sich gesehen besitzt der Slave-Kern bereits genügend Prozessor-Bandbreite zum Steuern von zwei Dreiphasen-Motoren. Der Master-Kern kann davon unabhängig einen weiteren Dreiphasen-Motor steuern, und Verwaltung, Vernetzung und andere Funktionen wie die Lastfaktor-Korrektur (Power Factor Correction, PFC) in Leistungsanwendungen übernehmen.

Angesichts der kontinuierlichen Entwicklung der Motortechnik und neuer Anwendungsanforderungen sind weitere Innovationen beim MCU- und DSC-Design zu erwarten. Dazu zählen auch Leistungsverbesserungen, die sich nicht nur für immer komplexere Steuerstrategien, sondern auch für Systemverwaltungs- und Datenkommunikations-Funktionen nutzen lassen.

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* Patrick Heath ist Marketing Manager in der High-Performance Microcontroller Division von Microchip Technology

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