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Universelle Lösung gesucht

Mikroprozessor-basierte Antriebssteuerungen

12. Januar 2017, 8:58 Uhr | Von Frank Malik

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Feldorientierte Regelung

Die feldorientierte Regelung (FOC; Field Oriented Control) – auch als Vektorregelung bekannt – ist ein mathematischer Ansatz für die Ansteuerung von BLDC-Motoren. Damit lassen sich bei der trapezförmigen Ansteuerung auftretende Ungenauigkeiten bei niedrigen Drehzahlen verringern und die Ineffizienz der sinusförmigen Ansteuerung bei hohen Drehzahlen vermeiden. Die FOC ist eine sensorlose Technik, sodass sich die Notwendigkeit eines Drehgebers erübrigt und damit dessen Platzbedarf, Gewicht und Energiebedarf wegfallen.

Die FOC hält ein konstantes Statorfeld aufrecht – in Quadratur zum Rotorfeld, indem die Motorströme und -spannungen in Bezug auf die Längs- (Direkt-) und Quer- (Quadratur-)Achse des Rotors verändert werden. Die gemessenen Statorströme werden in eine direkte (D) und eine Quadratur-Komponente (Q) umgewandelt. Anschließend erfolgt ein Vergleich der beiden Komponenten mit dem erforderlichen Drehmoment und Nullwert, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Die Fehlersignale werden in einer Software-basierten PI-Funktion (Proportional-Integral) verarbeitet, um ein PWM-Ansteuerungssignal für den Motor zu erzeugen (Bild 1).

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Die FOC ist bei allen Motordrehzahlen effizient und wird nicht von der Bandbreite der PI-Funktion beeinflusst. Eine Echtzeit-FOC erfordert jedoch eine rasche Ausführung der Funktionen, die die gemessenen Statorstromsignale in Spannungssteuersignale für die Ausgangsbrücke umwandeln. Die Software-basierte FOC erfordert daher erhebliche CPU-Leistung, um die Berechnungen so schnell wie nötig abzuschließen – vor allem bei hohen Rotordrehzahlen. In einigen Fällen kann eine mangelnde Datenverarbeitungsleistung des Systems der Haupthinderungsgrund für hohe Drehzahlen sein.

Um die Abhängigkeit vom Hauptprozessor zu beseitigen, wurden spezielle Hardware-Plattformen für FOC-basierte Antriebssteuerungen entwickelt. Bei Toshibas originärer Vector Engine (VE) wurden die komplexen Vektorregelungsgleichungen in eine spezielle Hardware Engine mit kundenspezifisch anpassbarer Firmware verlagert. Ebenso integriert wurde ein PMD-Block (Programmable Motor Drive), der die PWM-Signale erzeugt und andere wichtige Funktionen wie die Totzeit-Steuerung durchführt (Bild 2).

Durch das Reduzieren des Software-Aufwands stellt die VE eine stabile und berechenbare Ausführung des Codes sicher, die nicht durch Interrupts oder die Qualität der Software beeinträchtigt wird. Da Standard-Software als Teil der Entwicklungsumgebung zur Verfügung steht, können sich Entwickler auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und Produkte somit schneller auf den Markt bringen.

Da dedizierte Hardware die Berechnungen bis zu 70 % schneller ausführen kann als eine Software-basierte Lösung, lassen sich höhere Rotordrehzahlen erzielen. Hinzu kommt, dass der Hardware-basierte VE-Ansatz mehr CPU-Ressourcen für grundlegende Produktfunktionen bereitstellt. Somit kann eine Haupt-CPU mit geringerer Leistungsfähigkeit die erforderlichen Funktionen auf Anwendungsebene bereitstellen, was Platz, Kosten und Strom einspart.

Viele Hardware-basierte Antriebssteuerungen sind jedoch unflexibel und eignen sich nicht für eine Single-Core-Lösung, die verschiedene Anwendungen adressiert. Entwickler tendieren dann zu komplexeren und zeitaufwändigeren Software-basierten Lösungen. Abhilfe kann eine Plattform schaffen, auf die Entwickler ihre bestehenden FOC-Algorithmen von einer reinen Software-Umgebung überführen können (Bild 3).