Antriebstechnik Entwicklungsplattform für Umrichter

Im Bereich Standardantriebe mit variabler Drehzahl steigt der Bedarf an maßgeschneiderten Lösungen, die sich kostengünstig an spezifische Anwendungsanforderungen anpassen lassen. Ein neuer, flexibler Embeddded-Controller ergänzt Leistungsbrückenmodule, um Umrichter schnell und mit geringerem Risiko entwickeln und implementieren zu können.

Einerseits hat sich die Leistungs- und Steuerungselektronik in den letzten Jahren dynamisch weiterentwickelt, andererseits besteht eine Nachfrage nach vielseitigeren und effizienteren Steuerungen für Elektromotoren. Daher sind neue Denkansätze bei der Konfiguration und Implementierung von Antriebssystemen nötig. Auf dem Markt sind zahlreiche Umrichter für standardmäßige Systeme mit variabler Drehzahl oder Automati-sierungsanwendungen verfügbar, doch es gibt einen steigenden Bedarf an maßgeschneiderten Lösungen, die sich kostengünstig an spezifische Anwendungsanforderungen
anpassen lassen und die bei geringen oder mittleren Volumen wirtschaftlich sind. Dafür hat die Firma Maccon einen hochflexiblen Controller namens »MACinverter« zur Ergänzung von Leistungsbrückenmodulen entwickelt, um den Anforderungen von spezialisierten Elektroantrieben und Bewegungssteuerungssystemen besser gerecht zu werden.
Leistungselektronikhersteller bieten mittlerweile IGBT-Stacks als Leistungsstufen mit zahlreichen Zusatzfunktionen wie integrierten Treiberschaltungen, Strommessung und Kurzschlussschutz an. Es gibt auch schon Familien von integrierten Leistungsbrücken, die als dreiphasige H-Brücken konfiguriert sind und Motorphasenströme bis 400 A bei Zwischenkreisspannungen von 600 V bis 1200 V bereitstellen können.
Darüber hinaus profitiert die Antriebsbranche von weiteren beachtenswerten Innovationen, die in den vergangenen Jahren zur Reife geführt wurden:

  • Die Soft-SPS, die mittlerweile vom Steuerungsanwender volle Akzeptanz gefunden hat, 
  • einheitliche Standards für leistungsstarke Hochgeschwindigkeits-Buskommunikation, zum Beispiel EtherCAT, Profibus, RT-Ethernet, 
  • Steuerungsalgorithmen für Umrichter, die nun ohne Leistungsbeschränkungen vollständig im digitalen Bereich ausgeführt werden können, und 
  • Hochgeschwindigkeits-FPGAs mit integrierter Hardware-Logik und Mikrocontroller-Software. 

Diese Entwicklungen sind die Grundlage des neuen Ansatzes für eine Umrichterentwicklung mit dem Namen »Embedded Motion« (siehe Kasten).

Was ist »Embedded Motion«?  

Die Embedded-Steuerung oder »Embedded Control« ist mittlerweile ein fester Begriff. Seltener verwendet, aber für den Bereich der Elektromotorantriebe ebenso relevant ist der Terminus »Embedded Motion«. Dabei werden der Motor und die zugehörige Steuerungs- und Leistungselektronik zu einem vollständig integrierten Teil des mechatronischen Zielsystems. Außerdem wird der Motor als Bausatz geliefert, sodass die direkte mechanische Integration möglich ist.
Die Umsetzung dieser Embedded-Motion-Philosophie führt zu zahlreichen Vorteilen: 

 

■ Da der Motor direkt an die Last gekoppelt wird, werden zwei mechanische Lager, eine Wellenkupplung und diverse andere mechanische Komponenten nicht mehr benötigt. 

 

■ Die Konfiguration wird kompakter und leichter.

 

■ Die Motorwelle ist kürzer (und besteht nicht mehr aus zwei Teilen), daher ist sie steifer und ihre Trägheit geringer. Dadurch wird die Servo-Antwort des Systems dynamischer und die Eigenfrequenzen liegen höher. Die Motorbewegung ist sowohl schneller als auch präziser; der Systembetrieb erfordert weniger Energie.

 

■ Motor- und Zielsystemsteuerung können innerhalb der gleichen Logik auf einer einzigen Leiterplatte implementiert werden.

 

■ Elektrische Verbindungen sind kürzer (weniger Kabel und Stecker) und die EMV wird verbessert.

 

■ Das Wärmemanagement kann effizienter gestaltet werden, da die Integrationsumgebung genau bekannt ist.

 

■ Bestimmte Anwendungen lassen sich aufgrund spezifischer Anforderungen auf andere Weise gar nicht implementieren (infolge der dynamischen Ansprache, Abmessungen, Masse, Umgebung usw.).

 

■ Zu guter Letzt wird diese Konfiguration in der Serienfertigung am wirtschaftlichsten sein, da Auswahl und Menge der verwendeten Teile und Materialien genau auf die Anwendung abgestimmt sind.

 
Die in diesem Artikel beschriebenen Embedded-Controller unterstützen unmittelbar die Designansätze von Embedded Motion. 

Woraus besteht ein Umrichter?

Sehen wir uns an, wie ein moderner industriegeeigneter Umrichter aufgebaut ist.

Erforderlich sind die folgenden Komponenten und Funktionen (Bild 1): Leistungsschalter zur Versorgung des Elektromotors mit Strom (Leistungsmodul bzw. Motorbrücke); Spannungsversorgung mit 
Gleichrichterfunktion und Regenerationsschutz; Kommunikations-schnittstelle zu einem Host-Computer oder anderen Geräten im Steuerungsnetzwerk; eine integrierte SPS oder ein Bewegungssteuerungssequenzer (optional); digitale 
Motorsteuerungsalgorithmen, Störungs- und Sicherheitsmanagement; Zusatzfunktionen (z.B. Gehäuse und Schnittstellenanschlüsse).
Die ersten beiden Funktionen (Leistungsschalter, Spannungsversorgung) werden im Wesentlichen von den neuen Leistungsteilen übernommen. Die folgenden drei Funktionen lassen sich auf einer speziellen eingebetteten Bewegungssteuerungsplatine implementieren, die mit standardmäßigen Motor- und Regelungstypen kompatibel ist und unter anderem folgende Funktionen aufweist: 

  • Echtzeitsteuerung mit Hochleistungs-FPGA,
  • hohe Abtast- und PWM-Frequenzen, 
  • Voraussetzungen für kundenspezifische Anwendungsfunktionen (im FPGA oder im Mikroprozessor), 
  • umfangreiche Bibliothek mit Motorsteuerungs- und Regelungsfunktionen, 
  • leistungsstarke Host-Schnittstellen: Ethernet, EtherCAT, CAN, RS-232/422 und 
  • verschiedene E/A-Möglichkeiten (analog und digital). 

Die sechste Funktion (Gehäuse und Schnittstellen) kann nun genau entsprechend Nutzerwünschen erfüllt werden, da Formfaktor und Umgebungsspezifikationen variabel sind.

Für viele Antriebssysteme geeignet

Maccon hat mit dem »MACinverter« (siehe Anlaufbild) einen speziellen Embedded-Controller (Bild 2) entwickelt, der auf die Designanforderungen spezialisierter Elektromotorantriebe und Bewegungssteuerungssysteme abgestimmt ist. Dieser Controller bietet alle Funktionen zur Implementierung sowohl einfacher als auch anspruchsvoller Elektromotor-Antriebssysteme.
Er ist nicht nur kompatibel zu Gleichstrom-, Wechselstrom und bürstenlosen Gleichstrommotoren, sondern auch zu weiteren Motorentypen wie geschaltete Reluktanzmaschinen (Switched Reluctance Motor) oder Motoren mit dualen oder redundanten Wicklungssystemen. Zwei oder mehr Motorleistungsbrücken lassen sich von einer 68,5 mm x 68,5 mm x 12 mm großen Karte aus ansteuern, Treiber für MOSFET/IGBT-Leistungskomponenten kann ein MACinverter direkt mit PWM-Schaltfrequenzen von bis zu 50 kHz schalten. Echtzeit- und hardwarebezogene Steuerungsfunktionen sind in FPGA-Logik implementiert.
Der MACinverter unterstützt eine feldorientierte Drehmoment-, Drehzahl- und Positionsregelung. Eine umfassende Bibliothek mit Algorithmen für die Motorsteuerung und Regelsignalverarbeitung wird mitgeliefert. Zu den Regelkomponenten, die das System unterstützt, zählen unter anderem Koordinatenwandler, Inkrementalgeber (A/B/Z, 
Sinus/Kosinus), Halleffektsensoren und Absolutwertgeber (EnDat, Hiperface, SSI, BISS, Netzer), als Host-Schnittstellen stehen Ethernet, EtherCAT, CAN oder RS-232/422 zur Verfügung. Die Karte verfügt auch über verschiedene analoge und digitale E/A-Möglichkeiten.
Durch die Kombination dieses kompakten Embedded-Controllers mit einem passenden Leistungsteil lassen sich Umrichter recht schnell und mit geringerem Entwicklungsrisiko implementieren, mit frei wählbaren Funktionen und Leistungswerten (derzeit bis zu 230 kW). Einige Beispiele für mögliche Anwendungen: 

  • einachsiger Multilevel-Umrichter mit speziellen Schnittstellen- und Umgebungsspezifikationen; 
  • zweiachsiger Industrieumrichter mit integriertem Elektronikgetriebe oder mit Getriebe-Backlash-Kompensation (für Antennensteuerung); 
  • Switched-Reluctance-Antrieb mit variabler Drehzahl; 
  • fehlertolerante Antriebe mit integrierter redundanter Leistungsstufe für zuverlässigkeitskritische EM-Aktuatoren in »More Electric«-Flugzeugen; 
  • zweiachsige Ventilsteuerung in Verbrennungsmotoren (gasbetriebene Generatoren); 
  • Starter-Generator-Steuerung für alternative Energieerzeugungssysteme mit Stromrückgewinnung; 
  • Zweifachantrieb für Hinterachsen in Kraftfahrzeugen, einschließlich eines elektronischen Differenzials. 

Ein weiterer Vorteil dieses Designansatzes zeigt sich nach der Implementierung der Prototypen: Die Hardware lässt sich im letztendlichen Formfaktor und mit der gewählten Schnittstellenkonfiguration kosteneffizient vervielfältigen, indem die gleiche eingebettete Steuerungsplatine verwendet wird. Erst nach der vollständig erfolgreichen Abnahme durch den Endnutzer mit einer aus-reichenden Zahl von Prototypen muss man investieren, um das fertige 
Produkt in Serie zu fertigen.

Über den Autor:

Ted Hopper ist Geschäftsführer von Maccon.