Optimale Motoransteuerung mit intelligenter Ein-Chip-Lösung

Autor / Redakteur: Rüdiger Laschewski und Adriano De Rosa * / Michael Eckstein

Bürstenlose Gleichstrom-Motoren fordern mehr Flexibilität und Performance von der Steuerung. Basis dafür können smarte und diagnosefähige Halbleiterkomponenten sein.

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Typisch: Einen solchen eingebetteten Antrieb findet man in modernen Automobilen zum Beispiel im Bereich der Motor- und Batteriekühlung, Aerodynamikkomponenten oder auch Ventilsteuerung.
Typisch: Einen solchen eingebetteten Antrieb findet man in modernen Automobilen zum Beispiel im Bereich der Motor- und Batteriekühlung, Aerodynamikkomponenten oder auch Ventilsteuerung.
(Bild: TDK-Micronas)

Die Automobilität ändert sich rasant. In einigen Fahrzeugen sind mittlerweile über 1.000 Mikrocontroller und andere Halbleiterbausteine verbaut. Die verwendete Software belegt zum Teil weit über 10 Gigabyte Speicherplatz. Junge Autofahrer fordern mehr „User Experience“. Immer und überall mit der Welt verbunden – „connected“ lautet das Motto.

Die omnipräsente multimediale Anbindung beeinflusst auch die ältere Generation maßgeblich. Gleichzeitig besteht der Wunsch nach einem schonenden Ressourcenumgang. Die Antwort auf die Frage, wie sich die mobilen Verhaltensweisen zukünftig entwickeln werden, beeinflussen die Gesetzesvorgaben zur CO2-Reduzierung ebenso wie die Existenz smarter, flexibler und diagnosefähiger Halbleiterlösungen.

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Arbeitsgruppen treiben die Standardisierung der Elektronik in den Bereichen Vernetzung und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) im Automobilbereich voran. Dabei stehen auch Embedded-Motor-Control-Anwendungen im Fokus. Im Bereich der Bordnetze ist die Standardisierung bei der Kommunikation verbunden mit dem Übergang von bürstenbehafteten (Brush-type DC-Motors, BDC) zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC-Motors, BLDC). Dieser Übergang fordert mehr Flexibilität und erweiterte Performance von der Motorsteuerung. der Grund: Die Steuerungssoftware der BLDC-Motoren ermöglicht einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere Lebensdauer.

Halbleiter-Technologieknoten auf einen Baustein reduzieren

In Kombination mit Vernetzungs- und Diagnose-Tools helfen diese genannten Eigenschaften, das Automobil als geschlossene Einheit zu behandeln, die ihren aktuellen Zustand jederzeit mit der Außenwelt abgleichen kann. Dabei hilft das Reduzieren von Halbleiter-Technologieknoten auf einen einzigen Baustein − kombiniert mit dem Zusammenschluss von analogen-, digitalen-, Speicher- und Power-Komponenten. Ziel ist es, mehr Funktionalität und weniger Verbrauch auf immer kleinerem Raum zu verdichten.

In Kombination mit der Performance und Flexibilität eines Standard-Prozessors (CPU) entsteht ein smarter Aktuators. Ein möglicher Nebeneffekt der Integration ist eine Reduktion der Systemkosten. Durch die gesteigerte Flexibilität und einfache Wiederverwendbarkeit von Hard- und Software lassen sich mit geringem Zeit- und Kostenaufwand Derivate der ursprünglichen Implementierung realisieren.

Flexible Hardware- und Software-Architektur

Ein Motor-Control-IC ist ein integriertes Mikrorechner-System, das alle notwendigen Funktionen für die direkte Ansteuerung elektronisch kommutierter Motoren („EC-Motoren“, etwa BLDC-/Stepper-Motoren) enthält. Die Architektur muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Hardware- und Software-basierten Funktionen bieten. Frei definierbare Algorithmen erlauben das Anpassen an verschiedene Antriebsanwendungen.

Sie ermöglichen auch eine plattformübergreifende Software-Entwicklung mit unterschiedlichen Aktuatortypen im Sinne eines Baukastensystem. Produktqualifikationen werden durch Wiederverwendung von Hardware- und Software-Komponenten effizienter gestaltet. Der hohe Integrationsgrad der Elektronik erlaubt eine Reduktion der Anzahl weiterer Bauelemente und führt somit zu einer höheren Zuverlässigkeit beziehungsweise geringeren Ausfallrate.

Eingebettete Antriebe beinhalten die komplette Elektronik und Mechanik inklusive Motor. Die direkte Stromversorgung durch das Kfz-Bordnetz und die Robustheit gegenüber Störungen auf Versorgungs- und Kommunikationsleitungen spielen eine wichtige Rolle. Die Ansteuerung des Motors kann mit der Single-Chip-Lösung HVC 4223F von TDK-Micronas erfolgen. Die Chiparchitektur muss die optimale Balance zwischen Echtzeitanforderungen, Programmierbarkeit und Systemkosten bieten. Die gesamte Elektronik mit Beschaltung des ICs und Steckern befindet sich auf einer 1p1s-Leiterplatte (PCB).

Hall-Schalter für Systeme mit geforderter Redundanz

In solchen BLDC-Motorsystemen ist die sensorlose Sechs-Schritt-Kommutierung mit Drehzahl- und Stromregelung gängig. Die Kalibrierung des Aktuators kann wahlweise ohne Absolutlage-Sensor durch Fahren in den Endanschlag erfolgen. Die Rechenperformance des HVC 4223F mit ARM Cortex M3 Core erlaubt in solchen Fällen ein schnelles Ausregeln, um zum Beispiel mechanischen Stress auf Motor und Getriebe zu minimieren. In Systemen mit höherer Redundanzanforderung kann zusätzlich ein Hall-Schalter zum Erfassen der Absolutlage dienen, die der HVC 4223F auswertet.

Zu den Eigenschaften des ICs zählen ein Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C, Qualifikation nach AECQ-100 Grade 1, integrierte Spannungsregler für direkten Bordnetzbetrieb, ARM Cortex M3 CPU, MPU, NVIC und Debug Interface, integrierter Haupt- und Hilfsoszillator, integrierte Speicher für Programmdaten und Code (Flash, RAM) und NVRAM für Diagnosedaten, komplette Motorcontrol-Peripherie (PWM, ADC, Komparatoren, Sternpunkt, etc.) und integrierte Brücke mit bis zu 1 A Spitzenstrom inklusive aller notwendigen Diagnosefunktionen, integrierte LIN-Bus-Schnittstelle (LIN-PHY und LIN-UART), Diagnose-Hardware zur Überwachung von Spannung, Strom, Temperatur und Programmablauf, I/O-Pins samt schaltbarer Sensorversorgung und ein QFN40-6x6-Gehäuse mit Exposed-Pad für die optimierte thermische Anbindung.

Kompilierte RTOS-Kernel kommen mit nur 5 kByte aus

Meist liegt eine statische Software-Architektur vor, zum Beispiel Round-Robin mit Interrupts oder Function Queue Scheduling. Die CPU-Auslastung liegt in der Praxis zwischen 50 bis 70 Prozent. Immer mehr Embedded-Antriebe nutzen bereits Real-Time-Operating-Systeme (RTOS), deren kompilierte Kernel kleiner als 5 kByte sind.

Die Software-Architektur ist modular mit definiertem Application Programming Interface (API) und Bibliotheken für die Hardware-Abstraktion (HAL) aufgebaut. Im HAL implementierte Test-Schnittstellen erlauben eine Bewertung und Qualitätssicherung nach Automotive-SPICE. Die Software-Partitionierung wird beeinflusst durch die steigenden Diagnoseanforderungen (ODB-II), was sich in steigenden Speichergrößen widerspiegelt. Motorsteuerung, LIN-Kommunikation („LIN stack“) und Bootcode sind weitere große Instanzen.

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