Motorsteuerungen auf neuer Ebene

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Die vorherrschende Technik zur Steuerung von PMSMs ist die vektor- oder feldorientierte Regelung (FOC), bei der die Magnetfluss- und Drehzahlkomponente orthogonal gehalten werden. Dies hilft, eine optimale Winkelsteuerung sowie eine bessere Stromnutzung bei der Erzeugung des Drehmoments sicherzustellen. Um eine dauerhafte Orthogonalität zwischen diesen Vektoren zu gewährleisten, müssen die Algorithmen schnell berechnet werden.

Darüber hinaus sollte zusammen mit der FOC eine Raumvektor-PWM implementiert werden, um Harmonische zu reduzieren und eine bessere Effizienz gegenüber einer herkömmlichen PWM zu erzielen. Frühe Implementierungen dieses Algorithmus wurden zunächst in ASICs und später mit DSPs realisiert. ASIC-Konzepte sind zwar hochintegriert, allerdings teuer und heute nicht mehr praktikabel. Mit DSPs wurden preiswerte schnelle Steuerungen möglich.

Diese Lösungen brauchen jedoch zahlreiche Zusatzbausteine. Seit kurzem gibt es eine neue Klasse von Controllern: digitale Signalcontroller (DSCs), die im Prinzip MCUs mit DSP-Eigenschaften wie MAC-Funktionen (Multiply-Accumulate) sind. Obwohl DSCs eine höhere Integrationsdichte bieten, verfügen sie noch immer über einen begrenzten Funktionsumfang. Ein komplexeres System benötigt einen DSC pro Motor plus zusätzliche Funktionen.

Feldorientierte Regelung einfach gemacht

Bild 2 zeigt, wie sich SmartFusion-Ressourcen zur Implementierung eines FOC-Algorithmus nutzen lassen. Die Park-, Clarke- und Invers-Clarke-Transformationen können in Software implementiert werden, die auf dem Cortex-M3 läuft. Alternativ können diese Aufgaben vom Prozessor ausgelagert und in Hardware implementiert werden, um eine weitere Beschleunigung zu erzielen.

Spezialfunktionen wie der PI-Regler, Raumvektor-PWM und Winkelberechnung lassen sich via Hardware-Implementierung in die SmartFusion FPGA-Fabric beschleunigen. Zusätzliche Funktionen wie Strom- und Spannungsabtastung können in den konfigurierbaren Analogbereich der SmartFusion-Bausteine implementiert werden.

Ein Antriebssteuerungssystem ist mehr als nur eine Motorsteuerung. Es muss mit dem Rest des Systems sowie mit externen Einheiten kommunizieren und zusätzliche Aufgaben wie etwa die Aktorsteuerung erledigen oder sogar weitere Motoren ansteuern.

Da sie ausreichend viele FPGA-Logikressourcen zusammen mit einer MCU und programmierbaren Analogfunktionen enthalten, verfügen SmartFusion-Bausteine über die Ressourcen zur Implementierung eines kompletten Systems.

* * Yvonne Lin... ist Solutions Manager bei Actel in Mountain View, Kalifornien.

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Mixed-Signal-FPGAs

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