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Embedded-Servoregler

Motion Chip reduziert Design-Zeit für Motorsteuerungen

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Architektur und Merkmale von motionCookie

Um das Hardware Design möglichst einfach zu gestalten und die Bauteilzahl klein zu halten, beinhaltet das SMD-bestückbare Mikrosystem TMCC160 motionCookie sämtliche Kern-Komponenten eines Embedded-Motioncontrol-Systems.

Neben dem integrierten, leistungsstarken Cortex-M4-Prozessor, auf dem die feldorientierte Regelung, der Rampen-Controller und die Protokoll-Stacks ausgeführt werden, besitzt der TMCC160 einen Gate-Treiber für einen Gate-Ansteuerstrom von maximal ±1 A.

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Damit kann der N-Kanal-Leistungsschalter für die 3-Phasen-Ansteuerung mit einer Leistung von 500 bis 1000 W bei 24 V Versorgungsspannung sicher und schnell durchschalten. Aufgrund eingebetteter Schutzdioden sind motorseitig lediglich Sense-Widerstände und die Leistungsschalter selbst notwendig.

Die hohe Treiberleistung ermöglicht es, eine große Bandbreite verschiedener Leistungs-MOSFETs schnell und damit energieeffizient durchzusteuern. Eine integrierte Charge-Pump ermöglicht es, die High-Side-Schalter auch bei Versorgungsspannungen von unter 10 V (zum Beispiel in batterieversorgten Geräten) sicher zu schalten. Um die Gesamtzahl der benötigten Bauelemente weiter zu reduzieren, versorgt ein integrierter Schaltregler den Baustein und weitere Digitalkomponenten im System mit der notwendigen Spannung.

Referenz-Design: Bausteine verkürzen Entwicklungszeit

Zum schnellen Design-In gibt es als validiertes Referenz-Design das TMCC160-EVAL-Board. Alle Schaltplan- und Layout-Daten stehen dem Entwickler als eCAD-Daten zur Verfügung.

Das Referenz-Design ist aufgeteilt in einzelne, leicht adaptierbare Design-Blöcke. Im Zentrum steht das TMCC160 motionCookie zusammen mit einer beispielhaften Endstufe und der dazu benötigten Beschaltung zur Strommessung für eine Motorleistung bis 200 W.

Beschaltungen für die Bus-Kommunikation über RS232-, RS485- oder CAN-Schnittstelle sowie für analoge und digitale Steuersignale sind als abgegrenzte, leicht ins eigene Design zu übernehmende Building Blocks implementiert.

Für Anwendungsfälle, in denen eine Rekuperation (Energierückgewinnung) nicht oder nur sehr begrenzt möglich ist (zum Beispiel in batterieversorgten Geräten) steht zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung ein Brems-Chopper-Ausgang zur Verfügung.

Über diesen kann ein Leistungsschalter die vom Motor zurückgespeiste Energie in einen Bremswiderstand ableiten. Auch die Beschaltung des Brems-Choppers ist im Referenz-Design ausgeführt.

Das Referenz-Design TMCC160-EVAL ist als Evaluations- und Test-Board über die Distribution zu beziehen. Diese Platine kann wahlweise für sich alleine oder mit einem Prozessor-Board aus dem modularen Evaluationssystem von Trinamic verwendet werden.

Seit zwei Jahren stellt der Hamburger Spezialist für Motion Chips sämtliche Evaluation- Boards mit einer Open-Source-Hardware-Lizenz zur Verfügung, sodass die Schaltung sowie das Layout ohne weiteres in kommerzielle Designs übernommen werden können.

Eines der wesentlichen Entwicklungsziele war es, Entwicklungszeiten und -kosten für Embedded-Servoregler auf das Nötigste zu reduzieren. Der komplexeste Block, den der Entwickler eines Servoreglers zu implementieren hat, ist der hochfrequente Stromregelkreis mit den dazugehörigen Clarke- und Park-Transformationen für die feldorientierte Regelung (FOC).

Zwar stehen von nahezu allen MCU-Herstellern FOC-Bibliotheken und vorkompilierte Blöcke zur Verfügung, diese im Kontext einer Applikation und auf eigener Hardware zu implementieren ist aber oft kaum weniger aufwändig als den Regelkreis selbst zu programmieren.

Erst auf den zweiten Blick zeigt sich, dass die Lizenzvereinbarungen der angebotenen Bibliotheken eine spätere Eigenentwicklung oder den Wechsel auf andere Prozessorhersteller deutlich erschweren.

Oft wird bei Verwendung der Bibliotheken oder Code-Beispiele der Prozessor- oder FPGA-Hersteller eine Vereinbarung akzeptiert, die eine spätere eigene Implementierung auf anderer Hardware nicht ohne weiteres erlaubt.

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