Ein neuer Ansatz Steuerung mehrerer Hochleistungs-Servomotoren mit nur einem Chip: ein neuer Ansatz

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

ISH Ingenieursozietät GmbH

Cadlog Group

Der Mikrocontroller ist das Arbeitstier in der Elektronik von Embedded-Geräten. Für Entwicklungsingenieure ist er die Komponente, die am universellsten eingesetzt werden kann. Aber es gibt Grenzen – selbst bei den Funktionen, die eine ein Mikrocontroller ausführen kann: die Motorsteuerung ist eine der Anwendungen, die sogar die Fähigkeiten von Hochleistungs-MCU herausfordert.

Dies ist ein Grundproblem eines Mikrocontrollers, der in der Regel Anweisungen in Threads nacheinander ausführt. Die Motorsteuerung erfordert eine deterministische Steuerung der Motorposition und -drehzahl sowie des Motorstroms in Echtzeit. Daher kann ein Low-End-Mikrocontroller gewöhnlich nur einen Servomotor steuern. In Anwendungen, bei denen mehrere Servomotoren gesteuert werden müssen, kann ein FPGA eine geeignetere Hardwareumgebung sein, denn es ist in der Lage, zwei oder mehr zeitkritische Funktionen gleichzeitig parallel auszuführen.

Doch die kommerziell verfügbaren FPGA-Optionen haben die Entwickler bisher in ein Dilemma gebracht. Bei der Implementierung einer anspruchsvollen Systementwicklung mit Motoren neigen die OEM stark dazu, eine Ein-Chip-Lösung einzusetzen. Die Art von FPGA, die Routinen zur gleichzeitigen Steuerung von Position, Drehzahl und Strom ausführen können, liegen am oberen Ende des Angebots; High-End-FPGA sind groß und teuer.

Neue Entwicklungen im Segment der Low-Density-FPGAs erlauben es allerdings nun, kostengünstige Ein-Chip-Lösungen für das Problem, mehrere Servomotoren zu steuern.

Verschiedene Ansätze, um den Mikrocontroller in ein FPGA zu integrieren

Angesichts der hohen Kosten zur Implementierung einer Ein-Chip-Motorsteuerung mit einem High-End-FPGA haben die Entwickler bisher gewöhnlich einen Ansatz mit zwei Chips gewählt, bei dem ein Mikrocontroller mit einem kleinen, kostengünstigen Low-Density-FPGA kombiniert wurde. Bei dieser Architektur (siehe Bild 1) übernimmt diese MCU gewöhnlich die Steuerung von Position und Drehzahl und das FPGA den Regelkreis für den Motorstrom sowie die Schnittstelle zum Positionssensor des Motors (einem Encoder, Hall-Sensor oder optischen Positionssensor). Diese Zwei-Chip-Lösung erlaubt eine deterministische Steuerung zum Preis eines komplizierteren Board-Layouts, einer komplexeren Lieferkette und höherer Materialkosten im Vergleich zu einer entsprechenden Ein-Chip-Lösung.

Hersteller von Low-End- und Mid-Range-FPGA haben auf dieses Dilemma reagiert, indem Sie die MCU in ihre Produkte integriert haben – gewöhnlich in Form einer im FPGA implementierten Arm Cortex-M MCU IP. In einigen Anwendungen kann der Einsatz eines MCU-Kerns im FPGA sehr sinnvoll sein. Bei Routinen zur Motorsteuerung haben diese Soft-Core-MCU jedoch Probleme, die deterministische Leistung und das geforderte Timing bereitzustellen. Bei der Implementierung einer Soft-Core-MCU nimmt die Rate, mit der die Regelschleife aktualisiert wird, gewöhnlich ab. Das schränkt die Fähigkeit einer solchen Lösung, mit nur einem FPGA zuverlässig die geforderte Leistung zu liefern, ein.

Eine hybride Ein-Chip-Lösung zur Motorsteuerung

Dies hat die Innovation am Low-Density-Ende des FPGA-Markts vorangetrieben. So ist das GW5AS25 von GOWIN Semiconductor entstanden. Dieses Bauteil kombiniert eine MCU auf 288 MHz Arm Cortex-M4-Basis, den AT32F437 von Artery und ein Arora-V FPGA mit 23.040 Logikelementen in einem 256-poligen Gehäuse von nur 14 x 14 mm. Das FPGA wird in einem energiesparenden 22-nm-TSMC-Prozess hergestellt.

Die Konfiguration des GW5AS25 als System-in-Package (SiP) erlaubt es den Entwicklern von Motorsystemen, die Systemfunktionen so aufzuteilen, dass die MCU die Steuerung von Position und Drehzahl übernimmt, während das FPGA die Regelschleifen für den Strom von einem oder zwei Motoren ausführt.

Wie Bild 2 zeigt, bietet diese Lösung eine ausreichende Bandbreite der Regelschleife für zwei Motoren bei hoher Drehzahl, vermeidet aber die hohen Kosten und den Platzbedarf eines High-End-FPGA zur Ausführung derselben Funktionen.

Dieses SiP aus Hard-Core-MCU und FPGA ist mehr als nur eine Hardwareplattform zur Steuerung von Motoren mit hoher Drehzahl. Es verfügt über zusätzliche Ressourcen, um die Entwicklung von Synchronmotoren mit einem oder zwei Permanentmagneten (PMSM) zu beschleunigen. Hierzu gehören:

• IP für Referenzentwicklung zur Implementierung verschiedener Formen der Stromregelschleife. Mit dieser IP können die Entwickler PWM-Schaltfrequenzen von über 20 kHz erreichen.

• Eingebauter Support zur Hochgeschwindigkeitskommunikation in Echtzeit über eine industrielle Ethernet-Schnittstelle

Darüber hinaus liefern Hersteller von Encodern in derRegel VHDL- und Verilog-Code für die Schnittstelle zu ihren Produkten, was die Integration in ein FPGA-basiertes Steuersystem vereinfacht.

Ein-Chip-Lösung zur Evaluierung bereit

Entwicklungsingenieure können mit dem GW5AS25 mithilfe eines Entwickler-Kits, dem DK_MOTOR_GW5AS-EV25UG256_V1.0, experimentieren. Dieses Kit umfasst die IP für die Stromregelschleife, einen Encoder-Controller, eine industrielle Ethernet-Schnittstelle und einen im FPGA implementierten Analog/Digital-Wandler sowie in der MCU implementierte Regelkreise für Position und Drehzahl und den Ethernet-Stack.

Dieses Entwickler-Kit zeigt, wie sich Kosten, Größe und Komplexität eines Systems mit mehreren Motoren durch den Einsatz einer Ein-Chip-Steuerlösung auf der Grundlage eines FPGA und einer Hard-Core-MCU in einem kompakten SiP reduziern lassen. (sg)

(ID:50425601)