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
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(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.

Orientierung des Magnetfluss-Vektors des Permanentmagneten

Die Steuerwerte für Drehmoment und magnetischen Fluss werden mithilfe von Referenz-Systemtransformationen entkoppelt. Ein großer Teil des Algorithmus besteht aus den Referenz-Systemtransformationen. Dies ist die Transformation zwischen der mit dem Stator verknüpften zweidimensionalen System-Referenz und dem mit dem Rotor verbundenen zweidimensionalen System.

Erstere ist stationär, die zweite befindet sich in der Regel in einer Drehbewegung. Als Transformation kommt eine PARK-Transformation zum Einsatz, die die Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator benötigt. Diese Position entspricht der Orientierung des Magnetfluss-Vektors des Permanentmagneten. Um diesen Wert in einem sensorlosen System zu ermitteln, werden eine Reihe von Berechnungen anhand der Motor-Modellgleichungen ausgeführt.

Die Regelschleifen zur Steuerung des Stroms sind mit einer normalen PI-Steuerung (Proportional-Integral) implementiert. Diese Funktion ist ein wichtiger Bestandteil des Motorsteuerungsalgorithmus und dient zur Steuerung des Stroms, der an die Motor-Phase geliefert wird. Der PI-Controller ist so ausgelegt, dass er ein zusammengesetztes Ausgangssignal einschließlich Fehlerkompensation erzeugt. Die beiden mathematischen Ausdrücke für den Controller sind abhängig vom Proportional-Koeffizienten Kp und dem Integral-Koeffizienten Ki.

Manuelle Arbeiten und aufwändiges Probieren vermeiden

Der vom PI-Regler erzeugte Spannungsverlauf wird so gesteuert, dass der daraus folgende Strom der gewünschten Wellenform folgt. Dabei vergleicht die Schaltung das tatsächliche System-Ausgangssignal mit dem gewünschten Ausgangssignal, und leitet aus dem Fehler zwischen beiden ein passendes Eingangssignal für das System ab. Das Eingangssignal zur Ansteuerung des Systems besteht aus zwei mathematischen Ausdrücken, wobei der eine proportional zum Fehler und der zweite proportional zum Integral über den Fehler ist.

Für die Feinabstimmung eines beliebigen bürstenlosen Wechselstrommotors müssen die Koeffizienten Kp und Ki ermittelt werden. In diesem Fall besteht die Ersatzschaltung des gesteuerten Systems aus einem RL-Kreis. Daher besteht das Motor-Modell in Bild 2 aus einer Spannungsquelle v(t), die durch den PI Controller gebildet wird, sowie aus einer Induktivität und einem Widerstand.

Die Reaktion der Schaltung auf die stufenförmige Ansteuerung ist auf der linken Seite dargestellt. Die zwei Quotienten "L/R" und "1/R" müssen zur Ermittlung der Koeffizienten Kp und Ki gemessen werden. Die erwartete Reaktion der Schaltung auf die stufenförmige Ansteuerung ist gut bekannt. Damit wird es möglich, die zwei Koeffizienten Kp und Ki aus dem System mit geschlossener Regelschleife durch eine Messung zu ermitteln: die Verstärkung im stationären Zustand sowie die Zeitkonstante der RL-Ersatzschaltung.

Motor-Modellparameter für einen ordnungsgemäßen Betrieb

Dieses Vorgehen ist schnell und vermeidet zeitraubende manuelle Arbeiten sowie aufwändiges Herumprobieren. Es wurde sowohl für die RX62T- als auch für die RX220-MCU-Familien implementiert. Ein weiterer Vorteil dieser neuen Embedded-Software ist die automatische Ermittlung der Parameter für die Permanentmagnetmotoren. Im Ablaufdiagramm des Steueralgorithmus nutzt der Funktionsblock der Phasenabschätzung die Motor-Modellparameter für einen ordnungsgemäßen Betrieb. Bei diesen drei Parametern handelt es sich um den Stator-Widerstand Rs, die synchrone Induktivität Ls und um die Magnetfluss-Amplitude Λm des Permanentmagneten.

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Bild 4 zeigt die von der Embedded-Software im Funktionsblock für die Magnetfluss-Abschätzung genutzten Motor-Gleichungen. Das hier verwendete Modell bezieht sich auf den Stator. Nach einer Reihe von Vereinfachungen erscheinen die unbekannten Parameter in der endgültigen Vektor-Gleichung. Liefert die Embedded-Software eine sinusförmige Spannung bei einer gewissen Frequenz und misst dann den daraus folgenden Strom, so sind bis auf die drei mysteriösen Koeffizienten alle Werte in der Gleichung bekannt.

Die hier implementierte Prozedur stimuliert die Motor-Phasen mit unterschiedlichen Spannungs-Wellenformen und misst die entsprechenden Ströme. Als letzter Schritt folgt die Lösung eines algebraischen Systems aus drei Gleichungen mit drei Unbekannten. Dank der leistungsfähigen grafischen PC-Benutzeroberfläche benötigt der Prozess nur 45 s zur Ermittlung der fünf Parameter Kp, Ki, Rs, Ls und Λm und kann schließlich einen unbekannten Permanentmagnetmotor betreiben. Die Prozedur erfordert weder spezielle Messgeräte, noch teure Werkzeuge, ebenso wenig spezielle Isolationsübertrager. Das Auto-Tuning funktioniert für Nieder- wie auch für Hochspannungsmotoren.

Auto-Tuning-Fertiglösung

Auf diesem Weg lassen sich in wenigen Minuten die unterschiedlichsten Motoren problemlos für jegliche Anforderungen evaluieren. Der Entwickler muss sich zu Beginn der Entwicklung eines 3-Phasen-Umrichters keine Sorgen machen, da er mit diesem Werkzeug seinen eigenen Motor in weniger als einer Minute steuern und sich anschließend auf die Anwendungsentwicklung konzentrieren kann. Er benötigt auch kein detailliertes Know-how mehr, so dass sich der Aufwand für die Einarbeitung und die Zeitspanne bis zum ersten funktionierenden Prototypen verkürzt.

Ebenfalls wichtig ist, dass der ganze Ablauf offline erfolgt, von der MCU nur wenige MIPS und nur wenig Speicher erfordert. Bisher wurden bis zu 30 Permanentmagnetmotoren mit Hilfe der leistungsfähigen Auto-Tuning-Fertiglösung abgestimmt, die auf den MCU-Familien RX220 und RX62T läuft. Die beiden Referenzplattformen können 24V-Motoren ansteuern und über eine externe Leistungsstufe auch Motoren mit mehreren Kilowatt betreiben.

* Vincent Mignard ist Segment Marketing Engineer, Renesas Electronics Europe.

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