Antriebstechnik Permanentmagnet-Motoren in nur 45 Sekunden kalibrieren

Autor / Redakteur: Vincent Mignard * / Holger Heller

Die Integration neuer Motoren und neuer Elektronik in ein Gerät ist ein aufwändiges Projekt. Dies lässt sich nun mit einem Referenzkit von Renesas einfach realisieren.

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BLDC-Antriebe schnell und effizient umsetzen: Renesas bietet die entsprechenden Tools dazu
BLDC-Antriebe schnell und effizient umsetzen: Renesas bietet die entsprechenden Tools dazu
(Bild: VBM-Archiv)

Dabei handelt es sich um eine Erweiterung zum bestehenden RX62T Motor Control Reference Kit sowie zum vor kurzem vorgestellten RX220 Motor Control Reference Kit. Die beiden Kits dienen zur Ansteuerung beliebiger Wechselstrom-Permanentmagnetmotoren und nutzen dazu einen sensorlosen feldorientierten Steueralgorithmus. Die auf dem RX62T laufende Software nutzt Fließkomma-Arithmetik, die für den RX220 nutzt Festkomma-Arithmetik.

Jedes Kit besteht aus einer einzigen Leiterplatte mit einer 32-Bit-MCU (RX62T oder RX220) und enthält eine Leistungsstufe mit MOSFETs sowie Shunt-Sensorwiderstände für die sensorlose Steuerung. Die Embedded-Software ist kostenlos, belegt nur wenig Flashspeicher und beansprucht minimale CPU-Ressourcen.

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Eine grafische PC-Benutzerschnittstelle (GUI) mit großem Funktionsumfang vereinfacht die Verbindung mit der Hardware und die Entwicklungsarbeiten am Motor. Die GUI ermöglicht eine automatische Messung der charakteristischen Parameter des Permanentmagnetmotors sowie eine Kalibrierung der Koeffizienten des Proportional/Integral-Stromregelungsblocks. Dies garantiert einen sicheren und zuverlässigen Anlaufvorgang.

Einfache und schnelle Abstimmung der PI-Steuerparameter

Bei einer Embedded-Steuersoftware und der entsprechenden PC-Benutzeroberfläche geht es vor allem um zwei Dinge:

1.) Abstimmung der Proportional-Integral-(PI)-Koeffizienten für die Stromsteuerung: Die Feinabstimmung der PI-Steuerparameter für den Strom erfordert normalerweise den Einsatz eines Oszilloskops. Das zu untersuchende System muss mit einem stufenförmig verlaufenden Strom angesteuert werden, um die Schritt-Antwort anschließend zu analysieren. Eine solche Funktion wurde vor einigen Jahren für die Renesas-Kits konzipiert, sie ist aber mit einem manuellen und zeitaufwändigen Prozess verbunden. Das Renesas Motor-Entwicklungswerkzeug ermöglicht eine einfache und schnelle Abstimmung der PI-Steuerparameter.

Es verwendet dazu einfach die mit dem Motor verbundene Umrichter-Platine, die auch an den PC angeschlossen ist. Als erstes ermittelt sie automatisch die korrekten PI-Verstärkungswerte. Damit erhält der Anwender funktionierende Werte für die Proportional- und Integral-Konstanten zur Strom-Steuerung. Als nächstes kann der Anwender den Abstimmungsprozess verfeinern, indem er einen gewünschten Strom-Schritt bestimmt und dann die Schritt-Antwort direkt an der Benutzerschnittstelle analysiert, ohne dazu ein teures Oszilloskop, einen Trace-Debugger und einen Isolationsübertrager zu benötigen.

2) Automatische Erkennung der Motor-parameter: Die mathematischen Modellparameter des Motors müssen definiert sein, damit der Algorithmus zur sensorlosen Erzeugung der sinusförmigen Wellenformen starten und laufen kann. Die wichtigsten Parameter dabei sind: der Stator-Widerstand, die Synchron-Induktivität und die Magnetfluss-Verknüpfungen des Permanentmagneten (zum Beispiel die gegenelektromotorische Kraftkonstante, Back-EMF). Die Messung dieser Parameter ist komplex und erfordert normalerweise ein voll ausgerüstetes Labor mit speziellen Instrumenten. Bei Nutzung des neuen Renesas Motorentwicklungs-Werkzeugs lassen sich die Werte dieser Parameter automatisch über den 3-Phasen-Umrichter ermitteln. Die PC-Benutzeroberfläche zeigt die gemessenen Werte mit wenigen Mausklicks an (Anmerkung: Bei nicht-isotropischen Motoren wird der Mittelwert aus den Induktivitäten der beiden Achsen Ld und Lq ermittelt).

Ermittlung der Motor-Parameter

Die RX62T- und RX220-Referenzplattformen besitzen eine vollständig isolierte USB-Verbindung zum PC und benötigen daher keinen Isolationsübertrager. Die grafische Benutzeroberfläche des PCs kann alle internen Werte des Algorithmus anzeigen. Damit ist es möglich, die Schrittantwort der PI-Stromsteuerung, die Phase des Systems und die sinusförmigen Strom-Wellenformen zu visualisieren.

Mit drei Funktionen ermöglicht die grafische PC-Benutzeroberfläche eine umfassende Kalibrierung innerhalb von 45 s. Die erste Funktion ist die automatische Abstimmung der PI-Parameter für die Strom-Steuerung, die zweite ist die Ermittlung der Motor-Parameter, und die dritte ist das Oszilloskop-Fenster, wie es in Bild 1 zu sehen ist. Die fünf in diesem Prozess ermittelten Parameter lassen sich mit einem einzigen Mausklick im EEPROM speichern.

Sehen wir uns nun genauer die technischen Mechanismen an, mit denen man die fünf wichtigsten Parameter ermittelt.

Die Blockstruktur besteht aus einer externen Drehzahl-Regelschleife, die den Drehmoment-Referenzwert erzeugt. Zwei interne Strom-Regelschleifen liefern die Referenzspannungen, die vom 3-Phasen-Umrichter genutzt werden.

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