Schnelle und kostengünstige Entwicklung Referenz für Antriebsregelung

Rasche Entwicklung eines antriebsgeregelten Systems fordern alternative Lösungsmöglichkeiten.
Rasche Entwicklung eines antriebsgeregelten Systems fordern alternative Lösungsmöglichkeiten.

Eine schnelle Entwicklung mit höherer Effizienz bei gleichbleibender Qualität und niedrigen Kosten – das sind die Anforderungen bei der Entwicklung von Antriebsregelungen. Ein Referenzdesign stellt sich diesen Herausforderungen

Die Anforderungen an erhöhte Systemeffizienz und Qualitätsstandards sowie die Senkung der Gesamtkosten bei einer raschen Entwicklung eines antriebsgeregelten Systems hat in den letzten Jahren zugenommen. Entwicklungsingenieure sind gefordert, alternative Lösungsmöglichkeiten zu finden, die ohne hohe Investitionen im eigenen System implementiert werden können.

Diesen Anforderungen begegnet Renesas Electronics Europe mit dem Referenzdesign YROTATE-IT. Dessen Flexibilität ermöglicht die Umsetzung der verschiedensten Anforde-rungen seitens antriebsgeregelter Systeme.

RX-Mikrocontroller als Steuereinheit

Mit der 32-bit-RX-Familie bietet Renesas Electronics eine Linie an Steuereinheiten, die sich an verschiedenste Applikationen anpassen lässt, sei es nun mit Blick auf die Systemanforderungen oder auf die Systemkosten. In industriellen Bereichen wie beispielweise der Antriebstechnik sind die Mikrocontroller RX62T, RX63T, RX220 und RX111 prädestiniert. Diese 32-bit-Derivate eignen sich besonders zur Ansteuerung verschiedener Motoren. Das Referenzdesign YROTATE-IT ist in mehrfacher Ausführung entsprechend aufgebaut und demonstriert die Eigenschaften des jeweiligen Bausteins: von 32 bis 240 MHz Taktfrequenz, 2,25 bis 4,61 CoreMark/MHz bis hin zu einer leistungsstärkeren CPU, Zero-Wait-Flash, FPU und DSP-Funktionen. Zudem unterstützt die RX-Familie u.a. ereignisbasierte Trigger und automatisierte Peripherie-Loops (Hardware/Software).

YROTATE-IT-Referenzplattform

Bild 1 zeigt die Aufteilung der Referenzplattform und die Charakteristiken der jeweiligen Ausführung. Hierbei nutzen alle Ausführungen den gleichen Algorithmus der feldorientierten Regelung (FOC) mit der Möglichkeit, die Position des bürstenlosen Motors entweder mit der Ein-Shunt- oder der Drei-Shunt-Methode zu erfassen. Zusätzlich ist es möglich, einen Hall-Sensor oder Encoder als absoluten Wertgeber für die Detektion der Motorposition zu verwenden. Die erforderlichen Hardware-Schnittstellen sind hierfür auf der Referenzplattform vorhanden.

Die gemeinsamen Hauptmerkmale der drei Varianten der Referenzplattform sind:

  • Drehzahl-/Drehmoment-Ansteuerung/Regelung von 3-phasigen bürstenlosen Motoren (BLDC, PMSM, AC)
  • sensorlose feldorientierte Regelung (Ein-Shunt/Drei-Shunt),
  • Einsatz von Hall-Sensoren und Encoder-Einheiten möglich,
  • Lizenzfreie Software mit offenem Quellcode,
  • Intuitive PC-basierende graphische Benutzeroberfläche (GUI),
  • E1, Renesas‘ proprietäre Debugger-Schnittstelle,
  • Schnittstelle für eine externe 1,5-kW-Leistungsstufe,
  • Auto-Tuning und Kalibrationsfunktion,

Die GUI wird dazu verwendet, die Parameter des Systems einzustellen, die Messwertdaten zu erfassen und zu visualisieren. Mit Hilfe der Auto-Tuning-Funktion kann der Benutzer in wenigen Schritten die Koeffizienten Kp und Ki der Drehmoment- (Strom-) PI-Regelung automatisiert einstellen. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Werte zusätzlich noch anzupassen und fein zu justieren. Die Funktion der Motorparameter-Identifikation kann einen Motor mit völlig unbekannten Parametern erkennen und somit die wichtigsten Kenndaten für die FOC-Regelung bereitstellen. Dies versetzt den Benutzer bzw. Entwickler in die Lage, nicht nur mit dem mitgelieferten Motor den FOC-Algorithmus zu evaluieren, sondern auch den eigenen Motor in Betrieb zu nehmen. Die Eigenschaften der gesamten Referenzplattform, wie Hardware und Software, lassen sich direkt untersuchen.

Mathematisches Modell des PMS-Motors

Zuerst einmal lassen sich die abgeleiteten Gleichungen zusammenfassen, die das theoretische Modell eines isotropischen PMS-Motors wiedergeben. Folgende Gleichungen bilden das Modell in einem Referenzsystem gekoppelt mit dem Stator ab (Formel 1).

Bilder: 4

Referenz für Antriebsregelung - Formelsammlung 1-4

Referenz für Antriebsregelung - Formelsammlung 1-4

 

In dem Referenzsystem gekoppelt mit dem Rotor lauten die Gleichungen wie folgt (Formel 2).

Aus den angeführten Gleichungen kann Folgendes hergeleitet werden (Formel 3).

Hieraus ergibt sich das Blockdiagramm des PMS-Motors in Bild 2.

Die Drehmomentgleichung, in einfacher Form ausgedrückt, lautet wie folgt (Formel 4):

Daraus ist zu erkennen, dass das Drehmoment des Motors zur q-Komponente des Stroms proportional ist. Dies hat den Vorteil, das Drehmoment durch die Regelung des q-Stroms einstellen zu können.

Der id-Strom in Richtung der Längsachse hat keine Wirkung auf das Drehmoment und kann deshalb zu Null geregelt werden. Beide Strompfade sind jedoch in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors gekoppelt und sollten für die Regelung mit geeigneten Maßnahmen voneinander entkoppelt werden.

Dies sowie die aus dem Modell angedeuteten Eigenschaften stellt das Prinzip der feldorientierten Regelung dar. Hierbei handelt es sich um eine kaskadierte Zweikomponenten-Stromregelung in einem Rotorkoordinatensystem, deren Drehmomentregelung (q-Komponente) die der Drehzahlregelung überlagert.

Aus der Übertragungsfunktion des PMS-Motors ist abzuleiten, dass die folgenden drei Parameter erforderlich sind, um den Motor zu identifizieren:

  • Stator-Windungswiderstand Rs
  • Permanentmagnet-Flussdichte Λm
  • Synchrone Induktivität Ls

Diese Kenndaten sind für die feldorientierte Regelung notwendig. Sie werden deshalb auch mit der Motorparameter-Funktionalität in der graphischen Benutzeroberfläche der Referenzplattform automatisiert abgeleitet und dem System bereitgestellt.