Welterster FOC-Motorcontroller mit RISC-V als Single-Chip-Lösung

| Autor / Redakteur: Jonas Proeger * / Gerd Kucera

Top-Level-Blockdiagramm: Die weltweit erste RISC-V-Implementierung in einer Hochspannungstechnologie, die das direkte Ansteuern von N-Kanal-MOSFETs für die Regelung von BLDC-Motoren, Schrittmotoren, bürstenbehaftete DC- und Voice-Coil-Motoren ermöglicht.
Top-Level-Blockdiagramm: Die weltweit erste RISC-V-Implementierung in einer Hochspannungstechnologie, die das direkte Ansteuern von N-Kanal-MOSFETs für die Regelung von BLDC-Motoren, Schrittmotoren, bürstenbehaftete DC- und Voice-Coil-Motoren ermöglicht. (Bild: Trinamic)

Die Integration leistungsstarker Prozessoren in den Motorcontroller für Schrittmotoren, BLDC-Motoren, bürstenbehaftete DC-Motoren, Voice-Coil-Motoren erlaubt ein Mehr an Design-Freiheit und Motion-Funktionen, die künftig geboten sind.

Mit dem „Reduced Instruction Set Computer V“, kurz RISC-V genannt, hat die Universität von Kalifornien in Berkeley zusammen mit Industriepartnern eine offene Befehlssatzarchitektur geschaffen. Ziel war es, darauf basierende Prozessoren und Cores für möglichst viele Applikationen nutzbar zu machen.

Diese offene Befehlssatzstruktur der Software ist im Gegensatz zu den meisten Befehlssatzarchitekturen nicht patentiert und darf aufgrund der BSD-Lizenz (Berkeley Software Distribution) frei verwendet werden. Wichtigstes Kriterium für RISC-V war, eine Architektur zu haben, die sich über die Jahre nicht verändern kann. Die jetzige Befehlssatzarchitektur ist festgeschrieben, was auf eine Lauffähigkeit heute entwickelter Programme auch auf zukünftigen Prozessorkernen hinausläuft, wenn diese auf derselben Basis-ISA und identischen Erweiterungen aufbauen.

Mit ROCINANTE hat der Motion-Control-Chip-Experte Trinamic jetzt erstmals eine Motortreiber-Produktfamilie mit integriertem RISC-V-Prozessor vorgestellt. Die Komponenten der neuen Produktfamilie vereinen die jahrzehntelange Erfahrung von Trinamic im Segment der Embedded-Lösungen für Motor und Motion Control mit der Flexibilität eines offenen RISC-V-ISA-Mikrocontrollers. ROCINANTE eignet sich für die Ansteuerung von Schritt- und BLDC-Motoren, bürstenbehafteten DC-Motoren, aber auch Voice-Coil-Motoren. Alle diese Motoren finden in den schnell wachsenden Märkten für Service-Roboter, Haus- und Büroautomatisierung, Elektromobilität und Elektrowerkzeuge Verwendung.

„Das Herzstück jeder Motorsteuerung ist der Mikrocontroller, welcher die Aufgaben der Ablaufsteuerung und des User Interfaces übernimmt sowie Kommunikationsprotokolle verarbeitet“, konstatiert Michael Randt, Firmengründer und Vordenker in der Hamburger Chip-Schmiede, „wir haben eine lange Tradition als Anbieter von Motortreibern und sind nach wie vor der einzige europäische Hersteller von speziellen ICs für Motion Control und Anbieter ganzheitlicher Module für Motor und Motion Control. Aufgrund dieser Erfahrung ermöglicht unsere Single-Chip-Lösung ROCINANTE neue, miniaturisierte Antriebe mit höchstem Integrationsgrad.“

„Während beispielsweise bei der Implementierung von User Interfaces oder Protokollen Anpassungsmöglichkeiten vorzusehen sind, ist hinsichtlich Aktoren, Motoren und mechanische Komponenten die Langlebigkeit für Gerätehersteller ausschlaggebend“ erklärt Dr. Onno Martens, Leiter Chip Design bei Trinamic, „RISC-V ist die Plattform für eine lange Lebensdauer, da die RISC-V-ISA eine stabile und praxisbewährte Architektur darstellt und Änderungen in der Software einfach umzusetzen sind. Es gibt keine Lizenzvereinbarungen oder Verpflichtungen für Trinamic, die gegen ein Roadmapping, eine Entwicklung oder einen Technologietransfer sprechen. Daher hat sich Trinamic für RISC-V als Fundament für die Zukunft des Embedded Motion Control entschieden, um auch in Zukunft langfristige Lieferbarkeit zu sichern.“

Michel Randt dazu: „Die Integration leistungsfähiger Prozessoren in Motorcontroller bietet uns mehr Freiheit und Funktionen, die in Zukunft unerlässlich sein werden, wie beispielsweise eine Verschleißüberwachung oder Predictive Maintenance. Es gibt Unternehmen, die sich durch analoge Technologien auszeichnen und viele, die digitale ICs herstellen. Außerdem gibt es Mixed-Signal- und Smart-Power-Bausteine, wobei Smart Power Designs für den Entwickler die noch größere Herausforderung darstellen. Der monolithische Mixed-Signal-Smart-Power-IC mit integriertem Prozessorkern ist die Krönung dieser Entwicklung und bietet höchste Flexibilität und Zuverlässigkeit zu einem attraktiven Preis.“

Trinamic war schon früh Mitglied der RISC-V-Foundation. Das Unternehmen hat bereits frühzeitig erfolgreich RISC-V-Kerne auf FPGAs implementiert und realisiert damit kundenspezifische Baugruppen, die eine langfristig verfügbare, zuverlässige und stabile Prozessorarchitektur benötigen. Trinamic unterstützt die Idee eines offenen Befehlssatzes. Dazu nutzt das Design selbst entwickelte Schaltungsmodule in Kombination mit sorgfältig ausgewählten, geprüften und ausschließlich aus Europa stammenden IP-Blöcken.

Ein dedizierter BLDC-/PMSM-Treiber sowie ein dedizierter Schrittmotor-Treiber mit Servo-Regelung werden die ersten Bausteine der neuen Produktfamilie sein. Beide Bausteine haben umfangreich integrierte Diagnose- und Schnittstellenfunktionen. Die gesamte Produktfamilie ist mit einem 32-Bit-RISC-V-Prozessor, hardwarebasierter feldorientierter Regelung, seriellen Schnittstellen, USB, CAN-FD, ADCs, Messverstärkern und Gate-Treibern ausgestattet. Der integrierte Schaltregler spart weitere Komponenten auf der Stückliste ein. Ein 128 kByte großer EEPROM als nichtflüchtiger Speicher und 32 kByte SRAM ermächtigen die Motion-Control-Lösung Standalone-Anwendungen zu bedienen, aber auch High-Level-Industrieprotokolle wie CANopen oder CANopen FD zu verarbeiten.

ROCINANTE ist die weltweit erste RISC-V-Implementierung in einer Hochspannungstechnologie, die das direkte Ansteuern von N-Kanal-MOSFETs für die Regelung von BLDC-Motoren, Schrittmotoren, bürstenbehaftete DC-Motoren und Voice-Coil-Motoren ermöglicht. Die ersten Engineering Samples dieser Lösung, zusammen mit dem Evaluation Board „Landungsbrücke“ sowie umfangreiche Motion Control Libraries, werden im Lauf des ersten Quartals 2019 auf den Markt kommen.

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* Jonas Proeger ist Marketing Director bei Trinamic Motion Control, Hamburg.

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