Chips als Motor des Fortschritts

Module vereinfachen den Schaltungsentwurf

Die Herausforderung für die Hersteller besteht nun darin, zu der komplexen „Mixed Signal“-Elektronik für die Motorregelung die hochspannungs- und hochstromfesten Bauelemente für die Ansteuerung der Motorwicklungen in einen Baustein zu integrieren. Eine Möglichkeit hierfür ist, dies in Form von Modulen, als „Chip“ mit Anschlussfahnen für den Einsatz auf einer Leiterplatte, zu realisieren. Dies erspart dem Entwickler den Großteil des Aufwands beim Layout einer Leiterplatte.

Ein Beispiel für den Einsatz eines Mikrocontrollers in einer realen Motorsteuerung zeigt der neue Stellantrieb „PMR 3“ der Firma Aris [4].

Bild 2 zeigt den typischen Aufbau der Elektronik um den Mikrocontroller mit Kleintransformator, Klemm- und Steckerleisten sowie den elektronischen Bauelementen. Die Ansteuerung des Stellmotors erfolgt über eine externe Sollwert-Vorgabe, für eine Anbindung an den CAN-Bus steht eine Zusatzplatine zur Verfügung. Die Erweiterung um Platinen für die RS-232- und USB-Schnittstelle ist in Vorbereitung. Zusätzliche Bedienelemente wie ein Störmelder oder eine zweizeilige Klartextanzeige lassen sich auf Wunsch einbauen.

Mitsubishi Electric [5] setzt mit einer Serie von „DIB-CIB“-Modulen auf diesen Trend zur Integration, allerdings werden hier zunächst nur die Leistungsbauelemente zusammengefasst. In einem „Dual in Line“-Gehäuse (DIB) mit den Abmessungen 79 mm x 44 mm x 5,7 mm sind hier integriert eine Wechselrichterbrücke (C – Converter), ein Dreiphasen-Gleichrichter (I – Inverter), ein Brems-Chopper-IGBT (B – Brake) und ein isoliert aufgebauter NTC-Widerstand für die Temperatur-Überwachung. Die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) werden hier in der CSTBT-Struktur (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) hergestellt; bei diesem, vor einigen Jahren vorgestellten Konzept ist der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter im eingeschalteten Zustand niedriger als bei den herkömmlichen IGBTs, zudem weist UCE(sat) einen positiven Temperatur-Koeffizienten auf, was die Parallelschaltung dieser IGBTs ermöglicht. Die neuen Mitsubishi-Bausteine sind für Nennspannungen bis 1200 V klassifiziert, sie sind für die Nennströme 10 A, 15 A und 25 A unter den Bezeichnungen „CP10TD1-24A“, „CP15TD1-24A“ und „CP25TD1-24A“ erhältlich.

"Dual in Line"-Gehäuse mit allen Komponenten

Ein vollständiges „System im Gehäuse“ für die Ansteuerung bürstenloser Gleichstrommotoren ist der Hybrid-Baustein „MSK 4364“ des amerikanischen Unternehmens M.S.Kennedy [6], das in einem 44 mm x 29 mm x 5 mm großen Gehäuse neben der Ansteuerlogik, einem PWM-Generator und den Operationsverstärkern für die Aufbereitung der Hall-Sensor-Signale auch die Leistungs-MOSFETs integriert. Diese liefern für jede der drei Phasen an einer Betriebsspannung von maximal 55 V bis zu 5 A Ausgangsstrom. Die MOSFETs sind gegen Durchbruch und „Cross Connection“, also unbeabsichtigte Brückenkurzschlüsse, geschützt. Der Baustein ermöglicht auch einen gegenphasigen Betrieb (locked anti-phase), bei dem die Motorwicklungen laufend be-stromt werden: 50 % in die eine Richtung, 50 % in die andere Richtung ergeben dabei die Drehzahl „0“; kurze Reaktionszeiten sind in dieser Betriebsart die Folge. Durch die gute thermische Leitfähigkeit des Gehäuses lässt sich der Baustein ohne weitere Kühlvorrichtungen einsetzen.

Fairchild [7] hat einen Baustein für die Ansteuerung mehrphasiger Wechselstrommotoren mit weniger als 200 W Leistung entwickelt, in den neben der Ansteuerschaltung die Hochspannungs- und Leistungshalbleiter bereits integriert sind. Die „Motion SPM“ (Smart Power Module) genannten Bausteine mit den Typenbezeichnungen „FCBS0550“ und „FCBS0650“ enthalten neben einem „Low Voltage“-IC drei Hochspannungs-ICs sowie sechs MOSFETs mit den zugehörigen „Soft Recovery“-Freilaufdioden. Der Hersteller gibt die Einsparung des Platzbedarfes für die Ansteuerung eines Kühlschrankmotors mit 20 % an. Die Hochspannungs-ICs für die „High Side“-Ansteuerung sind in dem Modul integriert, daher genügt für die Anbindung der Masseverbindung ein einziger Kontakt am Keramikgehäuse; auch dies trägt zur Verringerung des Platzbedarfs bei. Die Module sind spannungsfest bis 500 V, der Ausgangsstrom beträgt 5 A bzw. 6 A. Die integrierten Schutzschaltungen – ein Unterspannungsschutz für die Steuerelektronik und ein Unterspannungsschutz über einen externen Nebenwiderstand (Shunt) – erleichtern das Systemdesign. Das Gehäuse selbst misst 44 mm x 26,8 mm, die Isolationsspannung beträgt 2500 V.

STM [8] bringt mit seinem „Motor Control Reference Design Kit“ (Bild 3) ein Experimentiersystem heraus, mit dem sich Motorsteuerungen auf Basis des 8-bit-Mikrocontrollers „ST7FMC“ entwickeln lassen. Der Controller wurde eigens für die An-steuerung von Motoren entwickelt [9]. Das Kit umfasst vier Leiterplatten:
die Steuerungsplatine „STEVAL-IHM001V1“ und drei Platinen mit den Leistungshalbleitern für die Leistungsbereiche 300 W, 1 kW und 3 kW sowie Entwicklungs- und Anwendungs-Software. Je nach Motor wird die entsprechende Leistungsplatine über eine Steckerleiste an die Steuerungsplatine angeschlossen. Mit dem Kit lassen sich Wechselstrom- und Gleichstrommotoren mit und ohne Kollektor ansteuern; der ST7FMC beherrscht dabei mehrere Verfahren zur sensorlosen Regelung bürstenloser Gleichstrommotoren. Die Entwicklungs-Software ermöglicht die Konfiguration mit einer speziellen grafischen Benutzeroberfläche, Firmware-Bibliotheken erlauben die Anpassung des Systems an individuelle Vorgaben des Anwenders. Für die Vereinfachung eines Designs wurden die OrCAD-Quelldateien aller Platinen des Kits verfügbar gemacht, diese lassen sich dann auf die Ziel-Anwendung übertragen und dort verwenden.

Hitachi [10] bietet für die Ansteuerung ein- und dreiphasige Wechselstrommotoren im Leistungsbereich 0,1 kW bis 7 kW unter der Bezeichnung „AD-Serie“ einen Systembaukasten mit passenden Servo-Verstärkern (Bild 4). Der Regler ist mit einem 32-bit-Prozessor mit integriertem DSP ausgerüstet, durch die verfügbare Rechenleistung kann eine obere Eckfrequenz (–3 dB) des Regelkreis mit dem 750-W-Motor von 500 Hz erreicht werden. Für eine genaue Positionierung und auch einen stabilen Lauf bei niedrigen Drehzahlen ist das System mit einem 17-bit-Encoder mit serieller Datenübertragung ausgerüstet.

In den Servo-Verstärker „ADAX4“ ist bereits eine Reihe von PLC-Funktionen (Programmable Logic Control) integriert. Dazu zählt ein Programmspeicher für 512 Programmschritte und 100 Positionen. Insgesamt stehen hier zwölf Digital- und zwei Analog-Eingänge sowie acht digitale Ausgänge zur Verfügung. Programmiert wird die PLC über eine an BASIC angelehnte Programmiersprache. Es können sieben verschiedene Referenzpositionen, 16 Geschwindigkeiten und Drehmomente, allgemeine Variable und Zeit-Glieder definiert werden. Für die übergeordnete Steuerung von maximal vier Achsen hat das Unternehmen unter der Bezeichnung „EH-POS4“ eine eigenständige PLC entwickelt.

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