Verschleißfreie Systeme ohne Kollektor und Drehgeber Chips als Motor des Fortschritts

Aus der Symbiose von Elektronik und kollektorlosem Dreiphasen-Gleichstrommotor entsteht ein langlebiges und weitgehend wartungsfreies System, das sich nahezu universell einsetzen lässt. Die Rechenleistung der Mikrocontroller reicht dabei mittlerweile aus, um aus den Wicklungsströmen Ankerposition und Drehzahl mit ausreichender Genauigkeit ableiten zu können – Stillstand natürlich ausgenommen.

Verschleißfreie Systeme ohne Kollektor und Drehgeber

Aus der Symbiose von Elektronik und kollektorlosem Dreiphasen-Gleichstrommotor entsteht ein langlebiges und weitgehend wartungsfreies System, das sich nahezu universell einsetzen lässt. Die Rechenleistung der Mikrocontroller reicht dabei mittlerweile aus, um aus den Wicklungsströmen Ankerposition und Drehzahl mit ausreichender Genauigkeit ableiten zu können – Stillstand natürlich ausgenommen.

Der klassische Gleichstrommotor mit Kollektor hat wohl ausgedient; zwar werden diese einfachen Motoren aus Kostengründen noch immer in großen Stückzahlen eingesetzt, aber die Kombination eines mehrphasigen kollektorlosen Gleichstrommotors mit einer hochintegrierten Ansteuer-Elektronik gewinnt an Boden, und mit wachsenden Stückzahlen geht auch der Kostenvorteil der rein elektromechanischen Maschine verloren. Dabei macht die Integration auch vor der Leistungs-Elektronik nicht Halt, die erforderlichen Leis-tungsbausteine werden in für sich funktionsfähige Module mit eingebaut, der Anwender kommt so mit nur wenig zusätzlichem Aufwand zu einem funktionsfähigen Antrieb. Zusätzliche Hersteller-Software erleichtert die Parametrierung des Antriebs für eine bestimmte Anwendung.

In den Leistungsklassen 8 und 32 bit

Der Familie der AVR-Mikrocontrol-ler von Atmel [1] ist mit dem „AT90PWM3“ ein neues Mitglied zugewachsen, das für die Ansteuerung von dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC – Brush Less Direct Current) ausgelegt wurde. Auf dem Chip sind drei PWM-Baugruppen mit 12 bit Auflösung realisiert, die aufeinander synchronisiert werden können. Mit drei Komparatoren lassen sich die Ströme in bzw. Spannungen an den Motorzuleitungen überwachen; der Motor kann so bei Überlast sicher abgeschaltet werden.

Ein Grund für die Beliebtheit der 8-bit-Controller-Familie in der Hobby-Szene liegt wohl darin, dass hierfür von Anfang an leistungsfähige Entwicklungswerkzeuge verfügbar waren, die z.B. die Programmierung der Routinen in BASIC ermöglichten [2]. Auch für den AT90PWM3 wird ein Ausprobierpaket angeboten; im Lieferumfang des „Evaluation Kit ATAVRMC100“ sind enthalten eine mit dem Prozessor und den Leistungshalbleitern bestückte Leiterplatte, ein passender kollektorloser Dreiphasen-Gleichstrommotor und eine CD-ROM mit Datenblättern, Anwendungsbeispielen und Software. Die Leiterplatte ist zudem mit einem LIN-Transceiver bestückt; so lässt sich der Motor über ein LIN-Netzwerk ansteuern. Der auf dem Controller integrierte Flash-Speicher lässt sich z.B. mit dem Debugging-Tool „JTAGICE mkll“ beschreiben, das mit dem AVR Studio zusammenarbeitet, der Anschluss erfolgt über einen speziellen Stecker.

Am anderen Ende der Leistungsklasse steht der Mikrocontroller „SH7201“ (Bild 1) von Renesas [3], der auf der Basis des 32-bit-RISC-Kerns „SH-2A“ entwickelt wurde. Der mit 120 MHz getaktete Prozessorkern erreicht hier 288 MIPS und liegt damit etwa in der Klasse eines mit 233 MHz betriebenen PowerPC G3 von 1997. Dem Prozessor-Kern steht eine Gleitkomma-Arithmetik-Einheit zur Seite, beide greifen über einen „Instruction Fetch Bus“ und einen „Memory Access Bus“ u.a. auf Cache und das 32-Kbyte-RAM auf dem Chip zu. Besonderer Wert wurde bei der Architektur auf die Interrupt-Verarbeitung gelegt, der Controller reagiert auf einen Interrupt innerhalb von sechs Taktzyklen, bei der Standard-Taktfrequenz also innerhalb von 50 ns. Den Zugriff auf externe Speicher steuert ein achtkanalig ausgelegter DMA-Controller.

Die Signale zur Peripherie sind über den internen „Peripheral Module Bus 2“ an die E/A-Einheiten geführt, insgesamt 14 Einheiten sind hier über E/A-Treiber (Ports) mit der Außenwelt verbunden. Dazu zählen eine Schnittstellen-Einheit, die acht serielle Ports bedient, eine I2C-Schnittstelle und ein CAN-Bus-Controller für zwei Kanäle. Den Zugang zur analogen Welt erschließen ein achtkanliger 8-bit-D/A- und ein achtkanaliger 16-bit-A/D-Umsetzer. Eine so genannte „Multi-function Timer Pulse Unit 2“ (MTU2) stellt für die dreiphasige PWM-Motoransteuerung sechs PWM-Ausgänge mit einer Auflösung von 16 bit bereit. Diese interne Baugruppe verarbeitet zudem die Signale von Quadratur-Encodern und kann allgemeine Timer-Aufgaben übernehmen. Für die Unterstützung des Entwurfs stehen der On-chip-Debugger „E10A-USB“ und der „Trace32-ICD“ (In-circuit-Debugger) zur Verfügung. Ein „Evaluation Board“ und ein „Renesas Starter Kit“ (RSK) mit einem E8-Debugger und LC-Display sind ebenfalls verfügbar.

Mit der Konzeption des Kompaktantriebes „MCD EPOS“ folgt maxon motor [13] nicht nur der Erkenntnis des Aristoteles, dass das Ganze mehr sei als die Summe seiner Teile; durch die gezielte Optimierung der einzelnen Komponenten – bürstenloser Gleichstrommotor der EC-Reihe, digitaler Encoder „MR“ und digitale Positioniersteuerung „EPOS“ – lassen sich nach Aussage des Schweizer Herstellers zusätzlich Kosten sparen. Daraus resultiere ein „konkurrenzlos günstiger Preis“ des Antriebs (Bild 6). In der Summe entsteht eine Steuerungs-Motor-Kombination mit einem wartungsfreien und hochdynamischen Positionierantrieb mit 60 W Leistung und hohem Wirkungsgrad.
Sind höhere Drehmomente gefordert, so lassen sich Planetengetriebe aus dem „maxon gear“-Programm anflanschen. Das Gerät kann direkt an einen CAN-Bus oder über die RS-232-Schnittstelle an eine SPS angeschlossen werden, dadurch wird der Verdrahtungsaufwand reduziert. In der programmierbaren Variante ist in das Gerät eine SPS integriert, die den „Stand alone“-Betrieb ermöglicht und darüber hinaus bis zu 127 weitere CAN-open-Komponenten ansteuern kann. Die Programmierung erfolgt mit dem Programm „EPOS Studio“ nach der SPS-Programmiernorm IEC 61131-3.