Entwicklungszeiten verkürzen »Intelligente« Mikrosysteme für Servoregler

Servoregler zum Betrieb von Synchronmaschinen besetzen Schlüsselpositionen der modernen Antriebstechnik. Die Implementierung feldorientierter Regelungen für Servoregler kostet aber noch viel Zeit. Ein Servoregler-Chip von Trinamic kann dabei helfen, den Entwicklungsaufwand erheblich zu verringern.

Servoregelung ist immer dann von Vorteil, wenn eine exakte Positionierung bei unbekannten Prozess- oder Störgrößen erforderlich ist. Dies ist insbesondere in Robotik- oder Positionieranwendungen der Fall, die höchste Ansprüche an elektrische Antriebe stellen. Nach klassischen industriellen Anwendungen wird dieselbe Güte der Antriebssteuerung aber auch zunehmend in Anwendungsbereichen wie dem Desktop Manufacturing oder komplett neuen und stark wachsenden Bereichen wie Kamera-Gimbals gefordert, in denen klassische industrielle Servoregler keinen Platz finden oder kommerziell nicht sinnvoll sind. Gerade in solchen Embedded-Anwendungen sind die zur Verfügung stehenden Entwicklungszeiten sowie die Produktzyklen allerdings oft viel kürzer als im industriellen Feld. Entwickler stehen vor der Herausforderung, innerhalb von nur Monaten ganze Systeme inklusive dynamischer und präziser Antriebstechnik zu entwickeln. Das bedeutet, dass Antriebe auf möglichst einfache Art und Weise in Form fertiger Hardware Building Blocks in beliebige Produkte integrierbar sein müssen, ohne dass detailliertes Know-how im Bereich der Motoransteuerung beim Produktentwickler vorausgesetzt werden muss.

Dazu muss ein Leistungsteil und ein Steuerteil entwickelt werden. Während das Leistungsteil stets spezifisch auf die Leistungsanforderungen der Applikation angepasst werden muss, folgt das Steuerteil typischerweise immer demselben Schema. Die feldorientierte Regelung (engl. Field-Oriented Control, FOC) des Motorstroms dient der Drehmomentregelung und bildet die unterste Stufe der Kaskadenregelung. Zur Lage- und Drehzahlregelung, aber auch für die effiziente Sinuskommutierung des Motors wird die Rotorlage über einen geeigneten Drehgeber ermittelt. Ein Stromregler berechnet anhand der aktuellen Stromsollwerte und der gemessenen Istwerte neue Strangspannungs-Sollwerte, welche als pulsweitenmodulierte Signale zum Leistungsteil geführt werden. Zusätzlich ist das Steuerteil entweder für die anwendungsspezifische Schicht zuständig oder stellt über eine Protokollschicht die Verbindung zu einer übergeordneten Steuerung her. Gerade die feldorientierte Regelung verlangt nach hinreichender Rechenleistung und kostet einen erheblichen Implementierungs- und Validierungsaufwand. Speziell bei kleinen Motoren, die oft eine deutlich niedrigere Wicklungsinduktivität als größere Antriebe aufweisen, muss die Regelung schnell und dynamisch reagieren können.

Zwar stehen von nahezu allen MCU-Herstellern FOC-Bibliotheken und vorkompilierte Blöcke zur Verfügung. Diese Blöcke im Kontext einer Applikation und auf eigener Hardware zu implementieren ist aber oft kaum weniger aufwändig, als den Regelalgorithmus selbst zu programmieren.

Einen Stolperstein stellen auch die Lizenzvereinbarungen dar: Denn erst auf den zweiten Blick zeigt sich, dass die Lizenzvereinbarungen der angebotenen Libraries eine spätere Eigenentwicklung oder den Wechsel auf andere Prozessorhersteller deutlich erschweren. Oft wird bei Verwendung der Libraries oder Codebeispiele des Prozessor- oder ­FPGA-Herstellers eine Vereinbarung akzeptiert, die eine spätere eigene Implementierung auf anderer Hardware nicht ohne weiteres erlaubt.

Parametrieren statt programmieren

Der neu vorgestellte dedizierte Servoregler-Chip TMC4670 bietet eine Möglichkeit, diese Herausforderungen ohne großen Aufwand zu bewältigen. Er übernimmt alle echtzeitkritischen Motorregelungsfunktionen und ermöglicht zudem Regler- und PWM-Taktraten, die mit Mikrocontrollern nur schwer oder gar nicht erreichbar sind. Der Entwickler kann sich daher auf die übergeordneten Systemfunktionen fokussieren, ohne Abstriche bei der Leistungsfähigkeit des Systems machen zu müssen. Das spart Entwicklungszeit und -risiken und erleichtert künftige Firmware-Revisionen, da die zeitkritische Regelung ausgelagert ist und nicht angetastet werden muss. Ein typischer Servo-Antrieb, wie er sich mit dem TMC4670 aufbauen lässt, ist in Bild 1 dargestellt.

Durch die Nutzung der Rotorlage in der feldorientierten Stromregelung wird ein effizienter Betrieb ermöglicht, da nur drehmomentbildende Ströme in die Motorwicklungen eingeprägt werden. Dies hat gleichzeitig eine deutliche Steigerung der Dynamik des Antriebs zur Folge, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber drehgeberlosen Kommutierungsverfahren darstellt. Für hochdynamische Bewegungen können die Regler durch gezielte Vorsteuerung dynamischer Lasten oder auch vollständige Bewegungsprofile entlastet werden. Gleichzeitig kann der Drehmo­ment­anstieg durch einen Ratenbegrenzer eingestellt werden.