Sicherheit SoC-Motorregelung vereinfacht die Sicherheitszertifizierung

Risiken wie Feuer, Stromschlag oder Körperverletzung stehen in der Hauptsache im Zusammenhang mit dem Überhitzen des Elektromotors und einer zu großen Wärmebelastung der Wicklungsisolierung. In den meisten Fällen entstehen diese Auswirkungen durch Bedingungen wie einem Festfressen oder Verklemmen des Rotors, was zu einem außergewöhnlich hohen Strom führt oder einem Phasenausfall. Wie sich vorgeschriebene Sicherheit als Teil der Motorregelung integrieren lässt, zeigt dieser Beitrag.

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Haushaltsgeräte wie Geschirrspülmaschinen und Waschmaschinen müssen ebenso wie einige kommerzielle Geräte, etwa Trockner oder Reinigungsanlagen, den grundlegenden und funktionalen Sicherheitsanforderungen entsprechen, wie sie durch die internationalen Standards IEC 60335-1 und IEC 60730-1 festgelegt sind. Die entsprechenden Normen unterscheiden zwischen den Kriterien Grundsicherheit und funktionaler Sicherheit.

Generell bezieht sich die Grundsicherheit auf die Risiken Feuer, Stromschläge oder Körperverletzung: Sie steht in der Hauptsache im Zusammenhang mit einem Überhitzen des Motors und einer Wärmebelastung der Wicklungsisolierung. In den meisten Fällen entstehen diese Auswirkungen durch Bedingungen wie einem Festfressen oder Verklemmen des Rotors, was zu einem außergewöhnlich hohen Strom führt, oder einem Phasenausfall, wobei eine der Motorwicklungen infolge Beschädigung oder Verschlechterung der Isolierung von der Stromzufuhr getrennt oder kurzgeschlossen ist.

Die Verwendung von Hall-Sensoren vermeiden

Die herkömmliche Technik, um eine Überhitzung von Motorwicklungen und der Isolierung zu unterbinden, besteht in der Verwendung eines Temperatursensors im Motor. Das erhöht die Kosten und steigert die Komplexität des Systems. Außerdem sollte der gewählte Temperatursensor ein Bauelement sein, das von der Zertifizierungsbehörde zugelassen ist.

Um derartige Kosten und Komplikationen zu vermeiden, werden die Erkennung von Phasenverlust, von blockierten Rotoren sowie die Erfassung von generellen Überlastungen häufig in Software implementiert. Die funktionale Sicherheit bezieht sich auf das Risiko, das mit dem normalen Betrieb des Produkts durch den Endverbraucher verbunden ist.

Wenn der Anwender beispielsweise bei einer Geschirrspülmaschine die Fronttür während des Waschvorgangs öffnet, um Geschirr einzulegen oder herauszunehmen. Die Wechselrichterschaltung, welche die Hauptumwälzpumpe steuert, muss ein zuverlässiges Signal über die Motorgeschwindigkeit erhalten, um sicherzustellen, dass die Pumpendrehzahl (sobald die Tür offen ist) abgesenkt wird, damit kein heißes Wasser aus der Spülmaschine austritt.

Ähnliches gilt für eine Waschmaschine: Wenn die Tür bei noch laufender Trommel geöffnet wird, um Zugriff auf die Kleidung zu erhalten, kann dies zu einer Armverletzung des Anwenders führen. Folglich fällt die Regelung der Motordrehzahl unter den Bereich der funktionalen Sicherheit.

Die moderne Praxis bei der Implementierung einer Drehzahlregelung besteht darin, die Verwendung von Hall-Sensoren zu vermeiden, um Kosten zu sparen und die Komplexität zu verringern. Hall-Sensoren sind zudem tendenziell verhältnismäßig unzuverlässig, besonders bei hohen Temperaturen.

Aus diesem Grund setzt sich die geberlose (also sensorlose) Drehzahlregelung in modernen Haushaltsgeräten immer mehr durch. Sie wird in Software ausgeführt und einem Permanentmagnet-Motor normalerweise über einen sinusförmigen Wechselrichterantrieb zugeführt, um beste Energieeffizienz und geringe Störgeräusche zu gewährleisten.

Beschleunigung der Software-Sicherheitszertifizierung

Die genauen Sicherheitsnormen, die für alle Fälle zutreffen, bei denen irgendein Teil der grundlegenden Sicherheitsfunktionen per Software ausgeführt wird, sind IEC 60335-1 Annex R und IEC 60730-1 Annex H Class B. Um diese Standards einzuhalten, muss das automatische Steuersystem des Geräts in seinem Code sämtliche erforderlichen Elemente enthalten, um einen unsicheren Betrieb zu vermeiden, ohne sich auf irgendwelche externe redundante Sensoren oder unabhängige Schaltungen verlassen zu müssen. Dies lässt sich durch die Verwendung von Low-Level-Selbsttestroutinen erreichen, die in regelmäßigen Abständen den korrekten Betrieb des Systems verifizieren.

Anbieter von Mikrocontrollern, die auf den Einsatz in Haushaltsgeräten spezialisiert sind, stellen einsatzfertige Selbsttestroutinen als Software-Dienstprogramme bereit, die dem Anwendungscode hinzugefügt werden können und so den sonst hohen Aufwand in der Softwareentwicklung einsparen. Diese Methode kann zur Beschleunigung der Produkttests beitragen und die Kosten bis zum Erhalt der Zertifizierung entsprechend den IEC-Sicherheitsstandards senken.

Mikrocontroller, die für den Einsatz in Haushaltsgeräten ausgelegt sind, bieten oft Peripheriefunktionen wie Zeitgeber, PWM-Blöcke und AD-Wandler, die man zur Regelung des Wechselrichters braucht, der den Motor des Haushaltsgerätes ansteuert. Doch ist der Vektorregel- oder der FOC-Algorithmus (Field Oriented Control), der für die Erzeugung der Motorregelsignale verantwortlich ist, häufig in Software ausgeführt.

Ein passender Algorithmus könnte vom Mikrocontroller-Anbieter zur Verfügung gestellt werden; oder aber der Geräteentwickler hat den Algorithmus unabhängig selbst zu entwickeln oder zu beschaffen. Dieser muss darüber hinaus andere Aspekte des Motor-Controllers berücksichtigen, beispielsweise den Aufbau und die Integration des Gate-Treibers und der Stromversorgungsstufe. Diese Arbeiten können zeitraubende Aspekte eines Projekts sein, die zudem spezialisierte Designkenntnisse voraussetzen.

System-on-Chip-Motorregelung als alternative Lösung

Alternativ kann eine System-on-Chip-Lösung (SoC) dem Entwickler helfen, Probleme wie das Erstellen des FOC-Codes oder die Integration der Leistungsstufe zu lösen. Denn der SoC enthält einen beträchtlichen Teil der Motorregelfunktionen in konfigurierbarer Hardware.

Ein Beispiel für eine solche Lösung ist der Baustein IRMCK171 von International Rectifier, ein einmal programmierbarer Mixed-Signal-IC (OTP, One-Time Programmable), der für die geberlose sinusförmige Motorregelung in Haushalts- und kommerziellen Geräten optimiert ist. Dieser digitale Steuer- IC ist mit einem intelligenten Leistungsmodul verschaltet, das eine Umrichter-Leistungsstufe und einen Gate-Treiber enthält. Basis des Chips ist die Hochvolt-Technologie (HVIC).

Somit bietet sich ein geeigneter Hardware-Chipsatz zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe an. Die ICs sind Bestandteil der integrierten Design-Plattform iMotion von International Rectifier, die alles Erforderliche bietet, um komplette Subsysteme zur Drehzahlregelung von Motoren für Anwendungen bis zu 2,2 kW herzustellen. Bild 1 zeigt, wie die Funktionen des digitalen Control-ICs und des integrierten Leistungsmoduls zur Regelung eines Permanentmagnetmotors zusammenwirken.

Der Baustein IRMCK171 enthält einen 8-Bit-8051-Mikrocontroller mit 60 MIPS zur Aufnahme der Funktionen auf Anwendungsebene, die gemeinsam mit der patentierten Motion-Control-Engine (MCE) von International Rectifier integriert sind. Die MCE implementiert einen FOC-Algorithmus in Hardware. Über die Vereinfachung der Motorregelungsentwicklung hinaus sorgt der Hardware-basierte FOC auch für eine raschere Ausführung, woraus sich eine verbesserte Regelung von Drehmoment und Drehzahl des Motors ergibt.

Der 8051-Mikrocontroller arbeitet nahezu unabhängig von der MCE und konkurriert nicht um Systemressourcen wie Interrupts und interne Register. Mit der MCE arbeitet eine Analog-Signal-Engine (ASE) zusammen, die alle Schaltungen zur Konditionierung und Umwandlung der Signale enthält, die für eine geberlose Regelung eines PM-Motors mit Einzelstromshunt benötigt werden.

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