Motion-Control für Hausgeräte Einchip-Controller steuert IGBT- oder MOSFET-Module

Wie industriell genutzte Antriebe lassen sich auch Motoren in Handmixern, Kühlschränken, Klimageräten und ähnlichen Haushaltsgeräten mit digitaler Regelungstechnik ausrüsten, um den Energieverbrauch zu senken und den Komfort zu erhöhen. Ein Standard-Mikrocontoller wurde dazu mit einer Motion Control Engine mit auf einem Silizium kombiniert.

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Elektromotoren in Haushaltsgeräten und Klimaanlagen sind üblicherweise Induktionsmotoren, die mit konstanter Geschwindigkeit laufen und sich auf eine verhältnismäßig einfache und dabei ineffiziente Regelungstechniken verlassen. Sie kennen zwei Betriebszustände (ein/aus) und zur Drehzahlveränderung nutzen sie beispielsweise mechanische Schaltstufen.

Permanentmagnetmotor anstatt Induktionsmaschine

Ersetzt man solche Induktionsmaschinen durch drehzahlgeregelte Permanentmagnet-Motoren, ließe sich nicht nur der Komfort steigern (etwa mehr Funktionen und ruhigeren Lauf), sondern auch der Wirkungsgrad. Energieeinsparungen bis 60% sind möglich, weltweit bilanziert sparen dann die Verbraucher jährlich 525 Mrd. € an Stromkosten. Die Entwicklung geeigneter Elektronik bzw. Geräte ist trivial, denn dazu gibt es eine entsprechende Design-Plattform.

Die feldorientierte Regelung liefert bessere Ergebnisse

Unter den etablierten Techniken zur Drehzahlregelung von Permanentmagnet-Wechselstrommotoren verursacht die trapezförmige Stromregelung mittels Hallsensoren oder Gegen-EMK-Abtastung bei niedrigen Drehzahlen Störgeräuschprobleme und eine Begrenzung der maximalen Drehzahl. Als andere Möglichkeit führt die feldorientierte Regelung (FOC) zu einer besseren Gesamtleistung, weil die sinusförmigen Ströme ein ruhigeres Drehmoment erzeugen und einen erweiterten Drehzahlstellbereich zulassen.

Gewöhnlich rechnet der FOC-Algorithmus dazu die AC-Stromwerte auf Stator-Ebene in äquivalente Gleichstromwerte im Rotorbereich um und wandelt anschließend einen errechneten Spannungswert auf der Rotorebene wieder in die Statorebene zurück. Der Rückkopplungsabgleich der Stromregelung wird im Rotorbereich durchgeführt, weil die erforderliche Bandbreite geringer ist als im Statorbereich.

Motorregelung und Softwarecodierung sind nicht trivial

Jedoch setzt die Perfektionierung eines FOC-Algorithmus zur Ausführung in einem Mikrocontroller oder DSP profunde Kenntnisse und Erfahrungen in der Motorregelungstechnik und Softwarecodierung voraus. Unter den zahlreichen Herausforderungen ist besonders die Ablaufsteuerung der Motorstromerfassung kritisch. Diese hängt von dem spezifischen PWM-Takt des Designs ab. Standardmäßige DSP-Algorithmen sind auch nicht in der Lage, andere Aspekte des Motorreglerdesigns zu berücksichtigen, zu denen die wichtigen Disziplinen Leistungselektronikentwicklung, Analogstromerfassung, Power-Management, Überstrom- und Überspannungsschutz sowie Integration der Gesamtlösung gehören.

Die integrierte Motorsteuerungs-Plattform als beste Lösung

Eine brauchbare Methode zur Lösung der genannten Aufgabe ist die Implementierung der erforderlichen digitalen Regelfunktionen in registerkonfigurierbare Hardware. Zusammen mit einer geeigneten Schaltung für die Analogsignalerfassung begegnet die integrierte Design-Platform von International Rectifier den Herausforderungen auch hinsichtlich Algorithmus-Entwicklungszeit, Verarbeitungsleistung und die Design-Integration. Zur direkten Ausführung der Motorregelungssingnale kommen Leistungsmodule auf Basis von IGBTs und MOSFETs zum Einsatz, sodass der Entwickler preiswert und unkompliziert die nötige Lösung realisieren kann.

Controller-Core und Motion Controll Unit auf einem Chip

Das Blockdiagramm zeigt einen registerkonfigurierbaren Mixed-Mode-Controller-IC, der für die geberlose Regelung von Motordrehzahl und Motorposition mittels FOC-Algorithmus unterstützt. Die feldorientierte Regelung (FOC) wird als ein Teil des Motion-Control-Engine(MCE-)-Blocks implementiert. Durch die so erfolgte Partitionierung des Controller-ICs entsteht aus der Motion Control Engine ein wiederverwendbarer digitalen IP-Block, der sich leicht in ICs implementieren lässt, die jeweils für bestimmte Motorregelungen optimiert sind.

Durch die gemeinsame Integration von Mikrocontroller-Core und Motion Control Unit auf ein und demselben Chip ist ein hochentwickelter Code auf Applikationsebene, für beispielsweise eine Klimaanlage, ebenso auf demselben Silizium ausführbar wie die digitalen Funktionen zur Motorsteuerung. Das ermöglicht ein Modifizieren der Applikation, die unabhängig von der Motorsteuerung ist. Auf diese Weise ist eine modulare Architektur möglich, bei der die Bewegungssteuerung als Slave für den Anwendungsprozessor arbeitet.

Alles, was die Motion-Control-Aufgabe braucht, ist integriert

In diesem speziellen Beispiel ist der Kern ein 8051 mit 60 MIPS Rechenleistung für Funktionen auf Anwendungsebene. Zur Verfügung steht auch eine Vielzahl von Kommunikationskanälen, um etwa die Motordrehzahl an die FOC-ausführende Schaltung zu übermitteln.

Alle analogen Funktionen der Signalkonditionierung und Signalumwandlung sind in einem als ASE-Block bezeichneten Bereich integriert. Damit ist ein Mixed-Mode-Controller-IC nutzbar, der die zur Implementierung eines kompletten Regleralgorithmus erforderliche Zahl von Bauelementen noch weiter reduziert. Der Chip enthält fünf Operationsverstärker und ihre zugehörigen Verstärkerschaltungen. Üblicherweise wären die extern mit diskreten Komponenten aufzubauen, um eine direkte Abtastung der Phasenströme an den externen Strommesswiderständen zu ermöglichen.

Neben den Operationsverstärkern ist ein 12-Bit-ADC implementiert, der die Rekonstruktion des Motorstroms durchführt. Hardware-Timer entlasten von der schwierigen Softwareaufgabe, eine zeitkritische Abtastung des Strommesswiderstands zu steuern. Deshalb verringert diese Implementierung im Mixed-Mode-Controller-IC, einschließlich der integrierten Analogschaltungen, die erforderliche Zahl zusätzlicher diskreter Komponenten für die geberlosen Regelung.

*Aengus Murray, Director of iMOTION Product Management, International Rectifier

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