BLDC Motor Steuerung von XMOS
Motor-Management - XMOS Referenzplattform zur Steuerung von Bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC)
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind durch die Entwicklung intelligenter Smart-Power-Devices rasch in neue Anwendungsgebiete vorgedrungen. Es war die Elektronik, die diesen Siegeszug ermöglicht hat, denn ohne kostengünstige und intelligente Ansteuerung der Statorspulen sind BLDCs nicht wettbewerbsfähig zu betreiben. So finden wir sie heute in jeder Harddisk als Spindelmotor, bei den PC-Lüftern, im Automobil, in der Medizintechnik oder in der industriellen Automatisierung als sog. "Servos". Konstruktionsbedingt sind sie äußerst wartungsarm, leistungsfähig und präzise zu steuern – es bedarf aber intelligenter Controller, um die besten Eigenschaften der BLDCs an' s Tageslicht zu fördern. Die Echtzeit-Prozessoren der Firma XMOS sind dafür ideal geeignet und seit Kurzem ist für diese Anwendung ein Referenzkit verfügbar.
BLDCs -Bürstenloser Gleichstrommotor
- Die Motorsteuerplatform von XMOS
Gleichstrommotoren der Vergangenheit verwendeten eine zwangsgesteuerte, elektromechanische Kommutation, d.h. die als Rotor ausgebildeten Elektromagnete wurden über Kontakte und Bürsten (oder auch "Kohlen") mit Strom versorgt und durch die Rotation der Motorachse synchron umgeschaltet. BLDCs haben ihre Elektromagnete dagegen im Stator und verwenden meist extrem leistungsfähige Dauermagnete im Rotor.
Durch diese Umkehrung der Verhältnisse werden Schleifkontakte obsolet, es muss nun allerdings dafür gesorgt werden, dass sich das im Stator aufgebaute Magnetfeld in Rotation versetzt, es ist also durch eine geeignete Sequenz bei der Ansteuerung der Statorspulen ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das den dauermagnetischen Läufer auf der Achse "mitnimmt". Hierfür sind heute sowohl geeignete Controller verfügbar als auch die notwendigen Powerschalter (i.d.R. MOSFETs), um auch Motoren der höheren Leistungsklasse betreiben zu können.
Moderne Controller zur Ansteuerung dieser Motoren sind harte Echtzeitsysteme, d.h. sie müssen ohne Verzögerung auf Regelgrößen des laufenden Motors reagieren können. Ihre Komplexität und die notwendige Rechenleistung steigt in dem Masse, indem die Motorkonstruktion simpler und die Ansprüche an seine Effizienz höher werden.
Motorsteuerungen von heute sind recht kommunikative Einrichtungen und müssen zunehmend standardisierte Schnittstellen wie z.B. CAN, LIN, RS232, RS485, USB, oder die verschiedenen Formen industriellen Ethernets bedienen .
In der Vergangenheit wurden diese Anforderungen durch eine Mischung von DSPs, Mikrocontrollern und FPGAs erfüllt, mitunter sogar mit allen 3 Architekturen auf einer Baugruppe.
So kann natürlich ein Microcontroller zur Realisierung der Benutzerschnittstelle verwendet werden, dazu ein DSP für die eigentliche Motorsteuerung und schließlich ein FPGA für die Bereitstellung der genannten Schnittstellen.
Jeder dieser Bausteine aber hat eine eigene Entwicklungsumgebung mit eigener Beschreibungssprache und den Bedarf an spezialisierten Entwicklern.
Der XMOS-Ansatz
XMOS bietet mit seinen ereignisgesteuerten Multi-Core Prozessoren eine neue Realisierungsmöglichkeit, indem die besten Eigenschaften der 3 Architekturen in einem einzelnen IC vereinigt werden:
- Programmier-Hochsprache und die Signalverarbeitungsfähigkeiten eines DSPs.
- Die flexible Konfigurierbarkeit von I/Os und Schnittstellen der FPGAs
- Die niedrigen Kosten und einfache Programmierbarkeit von Mikrocontrollern
Die Steuerung eines BLDC-Motors verlangt im wesentlichen die kontinuierliche Abschätzung der Rotorposition und die Bedienung der Leistungstransistoren durch Erzeugung einer variablen Frequenz sowie variablen Amplitude, um darüber abhängig von Position, Geschwindigkeit und Drehmomentanforderung die optimalen Betriebsparameter vorzugeben.
Die Positionsbestimmung des Rotors stützt sich entweder auf Hall-Sensoren oder Dreh-Encoder auf der Motorwelle oder kann ohne Sensoren durch Messung der Gegen-EMK während der nicht-angesteuerten Phase der Statorspulen erfolgen.
Verfahren mit Sensoren sind einfach in der Implementierung und verlangen nur geringe Prozessorleistung, brauchen aber Extra-Hardware in Form der eigentlichen Sensoren, notwendiger Verbindungen und Messwertaufbereitung. Das sensorlose Verfahren auf der anderen Seite erhöht ganz erheblich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, braucht aber deutlich höhere Rechenleistung der Steuereinheit.
Ausgangsseitig ist ein wesentlicher Schlüsselfaktor die präzise Erzeugung der notwendigen PWM (= pulse width modulation) für die Leistungselektronik. Plattformen mit der Möglichkeit zur anwenderseitigen Parametrisierung der PWM, wie im XMOS Referenzsystem gegeben, eröffnen die Möglichkeit zur Optimierung der Effizienz des Motors und seiner Steuerung.
Die Crux mit der Echtzeit
Die Ansteuerung der Inverter (Transistorbrücke) zur Erzeugung des korrekten Stromflusses in den Statorwicklungen ist eine klassische Real-Time Aufgabe.
Wenn der Motor nicht zum genau richtigen Zeitpunkt angesteuert wird, tritt ein Ripple beim Drehmoment auf der Motorwelle auf, der Motor produziert auch mehr hörbaren Lärm und sein Wirkungsgrad sinkt aufgrund der Tatsache, dass der magnetische Fluß nicht exakt senkrecht zum Magnetfeld des Rotors steht. Controller müssen also erhebliche Anstrengungen zur permanenten Validierung der Parameter leisten.
Diese Art von Anforderung auf traditionellen Prozessorarchitekturen zu erfüllen ist eine anpruchsvolle und spezialisierte Aufgabe, zu deren Lösung oft ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) zum Einsatz kommt. Damit wird versucht, den komplexen DSP-Plattformen ein deterministisches Systemverhalten beizubringen.
Unabhängig aber davon, ob nun ein Echtzeitbetriebssystem verwendet wird, ist auf jeden Fall vom Einsatz eines nicht deterministischen Prozessors abzuraten. Damit verbunden sind in der Regel nämlich massive Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades, der Zuverlässigkeit und Entwicklungen dauern deutlich länger.
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XMOS DSC – die Steuerplattform
Zur Electronica 2010 stellt XMOS seine DSC-Plattform (DSC = digital signal control) vor, mit der sich 2 3-Phasen BLDC-Motoren „out-of the box“ betreiben lassen. Ein Single-Core XS1-L1 übernimmt die Real-Time-Steuerung, ein Dual-Core ist für die Kommunikation über Ethernet und CAN-Bus sowie zur Anzeige von Beriebsparametern zuständig. Die gesamte XMOS-Entwicklungsumgebung ist kostenlos, die Beispielsoftware kann lizenzfrei für eigene Projekte verwendet werden.
