Mikrocontroller für industrielle Wechselrichtertechnik

Renesas Technology hat auf der embedded world die auf den Einsatz im Bereich industrieller Wechselrichtertechnik zugeschnittene Mikrocontroller-Serie SH7137F vorgestellt. Sie ist speziell auf Universalantriebe im Leistungsbereich von 1 bis 100 kW abgestimmt.

Der in den Baustein integrierte schnelle MONOS-Flash-Speicher mit einer Kapazität von 256 kByte unterstützt den vollständig deterministischen Zero-Wait-State-Betrieb mit 80 MHz, wobei eine CPU-Performance von mehr als 100 Dhrystone-MIPS erreicht wird. Die beiden leistungsstarken Timer-Einheiten MTU2 und MTU2S können jeweils einen Motor ansteuern. In jedem ADC sind zwei schnelle 12-Bit A/D-Wandler zum Messen von Phasenströmen sowie drei Sample- und Hold-Schaltungen vorhanden. Ihre Umwandlungszeit beträgt 1,25 µs.

Die integrierte neue MONOS-Flash-Technologie (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) erzielt eine Lesezugriffszeit von 12,5 ns. Sie unterstützt folglich auf einfache Weise den Betrieb mit 80 MHz und ist zu 100 Prozent deterministisch. Die kurze Vectored-Interrupt-Reaktionszeit des Bausteins ist ein weiteres wichtiges Kriterium für echtzeitfähige Deeply-Embedded-Systeme. Der verwendete 32-Bit RISC-CPU-Core des Typs SH-2 besitzt 16 Universal-Register mit je 32 Bit Breite und bietet sehr gute Voraussetzungen für die C-Programmierung. Für DSP-Algorithmen ist die SH-2 CPU zudem mit einer Multiply-Accumulate Unit ausgestattet.

In der Timer-Einheit MTU2 sind sechs 16-Bit Timer-Kanäle enthalten. Die Kanäle 3 und 4 können dreiphasige PWM-Signale zur Ansteuerung von Elektromotoren generieren. Kanal 2 hingegen kann die in leistungsfähigen Wechselrichtern häufig eingesetzten Quadratur-Encoder-Signale auswerten. Die MTU2 unterstützt eine hardwaremäßige Notabschaltfunktion und steuert Optokoppler direkt an, da sie sich für Senkenströme bis 15 mA eignet. Kanal 5 in der MTU2 ist eigens für die Regelung der Totzeiten gedacht. Diese lassen sich präzise einstellen, um einerseits das Entstehen gefährlich hoher Cross-Conduction-Ströme in den Brückenzweigen zu unterbinden und andererseits allzu konservative Totzeiten zu vermeiden, die den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Zwei weitere Kanäle in der MTU2 sind für allgemeine Timer-Aufgaben vorgesehen. Die MTU2 ist eine Kopie der Kanäle 3, 4 und 5 und kann damit eine zweite Gruppe dreiphasiger PWM-Signale erzeugen, sodass sich mit dem Mikrocontroller SH713F zwei Motoren ansteuern lassen.

Die beiden A/D-Wandler sind speziell für die Anforderungen von Hochleistungs-Wechselrichtern ausgelegt. Jeder Wandler bietet 12-Bit-Auflösung und eine sehr kurze Umwandlungszeit von 1,25 µs und ist mit drei Sample- und Hold-Schaltungen ausgestattet. So lassen sich drei Phasenströme gleichzeitig messen.

Zur Peripherieausstattung zählen ebenfalls drei serielle Ports (SCI), eine Synchronous Serial Communications Unit (SSU), ein IIC-Kanal, der populäre Data Transfer Controller (DTC) zur Entlastung der CPU von Datentransfer-Aufgaben, ein Watchdog Timer (WDT), ein Compare-Match-Timer (CMT) sowie bis zu 57 I/O-Ports. Ein Bus State Controller (BSC) ermöglicht die Verwendung eines externen 8-Bit-Busses für den Anschluss externer Peripheriefunktionen (beispielsweise USB oder Ethernet NICs). Komplettiert wird die Ausstattung durch 16 kByte RAM.

Die SH7137F-Serie besteht aus zwei Versionen mit 256 kByte MONOS Flash in QFP-Gehäusen mit 80 bzw. 100 Pins. Eine besondere Autovariante mit der Bezeichnung SH7147F unterstützt  einen Temperaturbereich bis +125 °C und ist für Antriebe nahe am bzw. unmittelbar im Motor ausgelegt.

Muster des SH7137 mit einem RoHS-konformen 14 x 14 mm großen QFP-100-Gehäuse sind ab sofort lieferbar. Der SH7136 ist dagegen in einem 80-Pin-Gehäuse untergebracht. Unterstützung wird durch den E10A-Debugger (JTAG) und das HEW-Tool von Renesas mit C-Compiler, Linker , Editor, Debugger und Renesas Flash Development Tool Kit angeboten. Die Demoversion des Renesas C-Compilers ist auf einen Codeumfang von 256 K begrenzt, so dass nur der SH7137F kostenlos unterstützt wird. Abgesehen davon steht unter www.gnush.com  ein kostenfreier und dennoch hochwertiger GNU C-Compiler zum Download zur Verfügung. Noch in der Entwicklung befindet sich derzeit ein Renesas Starter Kit (RSK7137), das voraussichtlich im März auf den Markt kommt.

Auf der Embedded World: Halle 12, Stand 306 und 236