Punktgenau das richtige Quäntchen Strom Evaluierungplattform für die effiziente Ansteuerung von Elektromotoren

BeInMotion als schematische Darstellung
BeInMotion als schematische Darstellung

Die Ansteuerung elektrischer Motoren ist komplex, je nach Anforderung kommen unterschiedliche Motorentypen zu Einsatz, die ihre ganz eigenen Besonderheiten haben. Die Evaluierungsplattform BeInMotion von Arrow hilft dem Entwickler dabei, sich einen Überblick zu verschaffen.

Es ist die Aufgabe einer Ansteuerelektronik, den Strom in der richtigen Stärke und Richtung durch den bzw. die Elektromagneten zu leiten, denn je nach Motorenart gibt es zwei, drei oder auch noch mehr dieser Erregerwicklungen. Dazu muss diese Ansteuerelektronik allerdings einige Sachen wissen, zum Beispiel: In welcher Lage, Drehrichtung und Geschwindigkeit befindet sich der Rotor gerade? Was soll der Motor jetzt tun: beschleunigen, bremsen, Drehzahl erhöhen, Widerstand halten?

Und wie hoch ist eigentlich gerade der Motorstrom? Damit wird aus dem einfachen mechanischen Konstrukt ein komplexer Regelkreis, der seine Stelldaten über einen Kommunikationskanal bekommt. Bei vielen Antrieben sind dabei die Komponenten »Kommunikationsschnittstelle, Motorsteuerung, Leistungselektronik, Motor« mechanisch zu einer kompakten Einheit zusammengefasst. Diese hat dann nur noch zwei elektrische Anschlüsse zur Außenwelt für die Versorgung mit elektrischer Leistung und die Übergabe von Stellwerten über einen Kommunikationskanal.

Mit einem »Bastelbausatz« kommt ein Entwickler heute nicht mehr weit, wenn er sich die Funktionsweise eines modernen, bürstenlosen Elektromotors genauer anschauen möchte. »Weil sich die Aufgabenstellung von einer rein mechanischen zu einer elektrischen gewandelt hat, braucht man für die Experimente heute eine Plattform mit FPGA, Kommunikationsschnittstelle und Leistungselektronik«, erklärt Harald Flügel, Technical Marketing Manager Programmable Devices von Arrow Electronics. Eine solche Plattform hat Arrow mit dem System BeInMotion entwickelt. Dabei handelt es sich um eine günstige und flexibel verwendbare Evaluierungsplattform für die Ansteuerung von Gleichstrom- und Schrittmotoren. »Damit kann man unterschiedlichste Designaufgaben rund um die Ansteuerung von Motoren angehen, zum Beispiel die Fragestellung, wie man ein Fahrzeug mit getrennten Motoren für jede Seite gerade fahren lässt«, führt Flügel aus. Selbst bei der Verwendung von zwangskommutierten Gleichstrommotoren habe man in dem Fall mit der Tatsache zu kämpfen, dass der linke und der rechte Motor unterschiedlich schnell drehen, bedingt durch zufällige Motorenparameter und ungleiche Last, so Flügel. Mit einer Rückkopplungsschleife über einen auf der Welle befindlichen Encoder kann man diesen Effekt kompensieren und das Fahrzeug gerade fahren lassen.

FPGAs bringen Vorteile gegenüber einem DSP 

Gerade im Leistungsbereich oberhalb eines Kilowatts zeigt die betriebswirtschaftliche Auswertung sehr schnell, dass der Anschaffungspreis eines Motors klein ist im Vergleich zu den Energiekosten, die während der Lebensdauer anfallen, wenn der Motor häufig arbeitet. Bereits 2008 hat die Firma Siemens vorgerechnet, dass in der Industrieproduktion in der Europäischen Union durch den Einsatz effizienter Antriebstechnik 43 TWh an Energie pro Jahr eingespart werden könnten, was der Leitung von 19 fossilen Kraftwerksblöcken entspricht. »Somit ist eine effiziente Antriebstechnik nicht nur aus Kostengründen, sondern auch aus Gründen der Umweltverträglichkeit ein Muss«, bekräftigt Flügel. Die entsprechenden Anforderungen sind auch in der EU-Verordnung 640/2009 definiert. Um die geforderten Wirkungsgrade zu erreichen, ist neben der mechanischen Konstruktion und der hohen Qualität des Permanentmagnets der Regelalgorithmus das A und O. Denn jedes Quäntchen Strom, das zum falschen Zeitpunkt in eine der Erregerwicklungen geschickt wurde, muss zu einem anderen Zeitpunkt, wieder unter Einsatz von Energie, kompensiert werden. So ist es laut Flügel nicht verwunderlich, dass häufig schnelle DSP-Prozessoren verwendet werden, um die aufwändigen Berechungen durchzuführen«. Arrow setzt in seiner Evaluierungsplattform BeInMotion im Gegensatz dazu für die Ansteuerelektronik auf den Einsatz eines FPGAs - und das aus gutem Grund, wie Flügel erläutert: »Weil in einem FPGA nicht ein Prozessor einen sequenziellen Algorithmus abarbeitet, sondern eine speziell für die Anwendung erzeugte Gatterschaltung parallel die nötigen Berechungen durchführt, erreicht man eine um mindestes eine Zehnerpotenz geringere Berechnungsdauer«, führt der Manager aus. »Liegt die Zykluszeit bei DSP-basierten Regelungen im Bereich von 100 µs, erreichen FPGA-basierte Regelungen Zeiten von 5 µs und weniger.«

Doch FPGAs bieten noch mehr Vorteile: Der gewichtigste davon ist die Tatsache, dass sich die gesamte digitale Steuerung in ein einziges Bauteil integrieren lässt. Außerhalb des FPGAs gibt es nur noch die analogen Komponenten, etwa ein PHY für die Kommunikationsschnittstelle oder AD-Wandler für die Erfassung der Stromstärke. Im FPGA bearbeitet ein Prozessor den Softwarestack der Kommunikation, während zeitgleich die Gatterschaltung die Motorsteuerung durchführt.