Antriebstechnik vereinfachen Feldorientierte Regelung für 8-Bit-MCUs

Infineon versteht sich als Vorreiter bei der feldorientierten Regelung (FOC) und bietet neben einer Konfigurationssoftware für dreiphasige Antriebe neue 8-Bit-Mikrocontroller zur einfachen Entwicklung kostenkritscher Motorsteuerungen.

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Als weltweit erster Anbieter bietet Infineon nach eigenen Angaben Standard-8-Bit-MCUs für eine feldorientierte Regelung (Field Oriented Control, FOC) bei Motorsteuerungen an. FOC ist ein Algorithmus, der bei allen Geschwindigkeiten für einen ruhigen und effizienten Betrieb von Motoren sorgt. Bisher waren 16- bzw. 32-Bit-MCUs oder DSPs erforderlich, um die komplexen trigonometrischen Gleichungen des FOC-Betriebs auszuwerten.

Die 8-Bit-Familien XC886 und XC888 wurden um FOC-Funktionen erweitert, womit sich diese Technik auch für kostenkritische Motoranwendungen in Haushaltsgeräten einsetzen lässt. „Im Vergleich zu heutigen Lösungen, bei denen die FOC-Ausführung die CPU komplett auslastet, belegt die feldorientierte Regelung auf unseren XC886/8-MCUs nur 58% der CPU-Leistung, womit Ressourcen für die Systemsteuerung oder Kommunikation (z.B. mit der Display-MCU) frei sind“, erklärt Dr. Stephan Zizala, Senior Manager Mikrocontroller-Produkt-Marketing bei Infineon.

Zizala weiter: „Im Unterschied zu anderen festverdrahteten FOC-Implementierungen bietet Infineon den zusätzlichen Vorteil der Software-Reprogrammierbarkeit, was in der Applikation höhere Flexibilität bzw. mehr Differenzierungsmöglichkeiten mit sich bringt.“ FOC sei deshalb eine geeignete Lösung für Haushaltsgerätehersteller, um den allgemeinen Anforderungen nach Energieeffizienz und dem Kostendruck zu genügen: Sensorlose Motorsteuerungen sollen heute präzise, schnell und – auch bei höchsten Drehmomenten – energiesparend sein.

Software-Tool zur Code-Generierung für Motorantriebe

Mit DAvE (Digital Application Virtual Engineer) Drive bietet Infineon eine Software zur Erstellung von Applikationscode für Motorsteuerungen für seine 8-Bit- (XC886/8) und 16-Bit-MCUs (XC164CM und XC164CS) an. Sie unterstützt die Initialisierung, Konfiguration und Erstellung des Treiber-Codes und ermöglicht so eine einfache Programmierung. Auch komplexe Peripheriefunktionen lassen sich mit DAvE Drive konfigurieren.

„Entwickler von Steuerungen für bürstenlose Gleichstrommotoren können sich nun mehr auf ihre spezifische Applikationssoftware konzentrieren und so das Prototyping beschleunigen“, fügt Zizala hinzu, „im Vergleich zu anderen Konfigurations-Tools generiert DAvE Drive komplette Algorithmen und leitet diese nicht von Bibliotheken ab.“

Die Software bietet außerdem die Möglichkeit einer flexiblen Code-Generierung für kundenspezifische Motoren, wodurch sich die Systementwicklungszeit um bis zu ein Mannjahr reduzieren lässt und Systemvariationen berücksichtigt werden können. Zusätzlich sind Block-Kommutierung und feldorientierte Regelung mit implementiert.

DAvE Drive ist Bestandteil des „BLDC Drive Application Kit“, einer modularen Erweiterung der 8- und 16-Bit-Easy-Kits von Infineon. Das kombinierte Paket stellt eine komplette Entwicklungsumgebung für Industrie- und Automobil-Motorsteuerungen dar und besteht aus MCU-Hardware, Software, Leistungshalbleitern und Motorantrieb.

Feldorientierte Regelung (FOC)

Die feldorientierte Regelung für elektrische Motoren bringt verschiedene Vorteile: FOC erhöht die Effizienz eines Motors, der nun jederzeit bei optimalem Drehmoment in Betrieb ist. Die bessere Dynamik bietet eine präzise und schnelle Geschwindigkeitsregelung (z.B. beim Umschalten zwischen den Stufen eines Waschprogramms). Außerdem sorgt eine geringere Drehmoment-Schwankung für eine gleichmäßige Motordrehung im Betrieb und auch beim Motorstart bzw. -stopp.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit 16- bzw. 32-Bit-MCUs oder DSPs ermöglichen die 8-Bit-Familien XC886/8 einen FOC-Betrieb um die Hälfte der Kosten der Elektronikstückliste. Die Rechenleistung des XC886 wird durch ein 16-Bit-Vektor-Rechenwerk für Rotations- und Skalierungsoperationen erhöht. Kombiniert mit der PWM-Einheit CapCom6E und einem 8-Kanal/10-Bit-A/D-Wandler erfüllt die 8051-MCU die Anforderungen für die FOC-Implementierung.

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