Energieeffizienter mit PSMS und Advanced Motion Controller

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Fairchild Semiconductor

Eine Hardware-basierte Antriebssteuerung

Bisher verlangte der Einsatz von BLDC- oder PMSM-Motoren die Verwendung von komplexen DSPs, für deren Programmierung umfangreiche Software und Debugging-Tools nötig sind. Ein Hemmnis für Anwender, die das bisher nicht tun mussten oder die nicht daran gewöhnt sind, komplexe Elektronik und Software zu entwickeln.

Neue Produkte wie die Motion Controller FCM8201, FCM8202 und FCM8531 von Fairchild schließen diese Lücke. Hier ist die Bewegungssteuerung als Algorithmus in einem dedizierten Hardware-Controller implementiert, dem „Advanced Motion Controller“. Indes übernimmt die übergeordneten Systemfunktionen wie User-Interface, Schutzfunktionen und Kommunikation ein Standard-Mikrocontroller, basierend auf der 8051-Architektur. Diese Aufgabenteilung ergibt das Beste aus beiden Welten: während der sehr schnelle Motion Controller den Motor effizient regelt, ist der Host Controller sehr einfach zu programmieren.

Der Baustein FCM8201 ermöglicht die Programmierung auf Systemebene, um nicht nur die Systeme effizient in der Entwicklung debuggen zu können, sondern um auch den Systemstatus im Betrieb auslesen und prüfen und den Betrieb mit externen Kommandos steuern zu können. Der FCM8202 hingegen verfügt über keine solche Kommunikationsfähgikeit und wird in Systemen genutzt, die keinerlei externe Kontrolle benötigen; in diesem Fall wird der Controller vorprogrammiert eingesetzt.

Diese beiden Controller-Typen benötigen Hall-Sensor-Signale oder ähnliche Signale, um die Rotorposition zu bestimmen. Der neue Baustein FCM8531 jedoch verfügt über einen Algorithmus, der sensorlose Kontrolle erlaubt und den Strom der drei Umrichterzweige auswertet; die Back-EMF des Motors wird dazu verwendet, um die Position und die erforderlichen Ansteuerimpulse zu berechnen.

Die interne Struktur des FCM8531 zeigt Bild 3, mit dem „Advanced Motion Controller“ rechts im Bild. Der Chip integriert einen Satz A/D-Wandler sowie eine PWM-Einheit, die mit einem Winkeldetektor zusammenarbeitet, um die notwendigen Ansteuerpulse direkt auszurechnen. Zusätzlich integrierte Schaltungen implementieren Schutzfunktionen, die weder CPU-Zeit benötigen noch auf den Prozessor angewiesen sind.

Während der Wechsel von AC- zu BLDC- oder PMSM-Motoren bereits einen deutlichen Wirkungsgrad-Vorteil bietet, können die Algorithmen im „Advanced Motion Controller“ den Wirkungsgrad zusätzlich weiter erhöhen, wenn auch nicht dramatisch. Aber für die zuvor angeführten Anwendungen ist die Größe der Implementierung sehr wichtig, mit dem ultimativen Ziel, die Elektronik innerhalb des Motors komplett in einem kompakten Gehäuse unterzubringen. Ein hoch integrierter Controller ist dabei sehr hilfreich. Die notwendige Entwicklungszeit wird außerdem durch vollständig dokumentierte Referenzdesigns und Demo-Boards stark verkürzt.

Bei der Implementierung des User-Interface sowie der Kommunikationseigenschaften wird durch die Verwendung eines Standard-Controllers zusätzlich Zeit eingespart. Bild 4 zeigt die Implementierung einer sehr kompakten Motion-Lösung mit dem Baustein FCM8201 sowie einem SPM3-Modul von Fairchild Semiconductor. In Kombination mit einem Kühlkörper lassen sich damit Motoren mit einer Leistung von 300 bis 400 W regeln.

Die Impementation neuer, zusätzlicher Funktionen

Dieser universelle Host-Controller, basierend auf dem 8051-Standard, wird auch für die Implementierung neuer Funktionen verwendet, die ein klassischer Wechselstrom-Motor nicht haben kann. Hierzu gehört eine variable Geschwindigkeit, Umkehrung der Umdrehungsrichtung (beides durch simple Kommandos an den „Advanced Motion Controller“), Kommunikation mit dem Anwender (sowohl für Anwender-Kommandos als auch zum Berichten der Systemstati), die Aufnahme zusätzlicher Sensorsignale und auch die Steuerung anderer Funktionen im System (etwa Displays, Relays, oder Ventile). Die Realisierung dieser Funktionen mit klassischen Motortypen war bislang komplex und nicht immer kosteneffizient.

Somit eröffnen Hardware-basierte Antriebssteuerungen ganz neue Möglichkeiten mit hoher Leistungsfähigkeit. Eine weitere Integration dieser Controller mit der PFC, und letztendlich eine vollständige Systemintegration in ein Smart-Power-Modul, wird diese Antriebssteuerung noch kompakter und ihren Einsatz noch universeller gestalten.

* * Alfred Hesener ist Senior Director Marketing and Applikations bei Fairchild Semiconductor, Fürstenfeldbruck.

(ID:37952060)