Skalierbares sensorloses FOC-System für BLDC-Motoren

Mit der steigenden Verbreitung von BLDC Motoren in Fahrzeugen wächst der Bedarf an effizienten, robusten und skalierbaren Motorsteuerungslösungen. Sensorlose feldorientierte Regelung (FOC) ist dabei ein zentraler Enabler, um Geräusche und Vibrationen zu reduzieren und die Effizienz zu erhöhen.

In einem durchschnittlichen Fahrzeug sind heutzutage Dutzende kleiner Elektromotoren verbaut. Während einige erkennbar sind und beispielsweise Außenspiegel oder Sitzverstellungen antreiben, befinden sich viele versteckt in wichtigen Lüftern und Pumpen (Bild 1). Früher wurden für diese Anwendungen bürstenbehaftete Gleichstrommotoren verwendet. Die Branche wechselt jedoch zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren), um einen deutlich leiseren Betrieb, einen höheren elektrischen Wirkungsgrad, eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erreichen.

Da BLDC-Motoren elektronisch kommutiert werden, suchen Entwickler nach Halbleiterkomponenten, die die Implementierung vereinfachen und die Stücklistenkosten (BOM-Kosten) senken. Dabei bevorzugen Entwickler skalierbare Bauelementfamilien, mit denen sich eine einheitliche Toolchain und eine wiederverwendbare Softwareplattform über verschiedene Anwendungen hinweg nutzen lassen – vom niedrigen Leistungsbereich bis hin zu mehreren hundert Watt.

Die Herausforderungen der FOC- und sensorlosen Implementierung

Bei der feldorientierten Regelung (FOC) für BLDC-Motoren werden drei Sinuswellen mit einer Phasenverschiebung von 120° erzeugt, sodass ein gleichmäßig rotierendes Magnetfeld im Stator entsteht. Entscheidend ist dabei die präzise Synchronisation zwischen dem elektrischen Feld und der mechanischen Rotorlage. Bei einer Fehlausrichtung ruckelt der Rotor, was zu hörbaren Geräuschen, Vibrationen und einem beschleunigten Verschleiß von mechanischen Komponenten wie Getrieben führt.

Hall-Sensoren oder Encoder können verwendet werden, um die Ausrichtung des Rotors zu bestimmen. Diese erhöhen jedoch das Gewicht und die Kosten und bringen neue potenzielle Fehlerquellen mit sich. Daher ist die sensorlose Regelung die bevorzugte Option. In einem sensorlosen FOC-System führt der Regler komplexe mathematische Berechnungen durch, um den Rotorwinkel und den Magnetfluss anhand der gemessenen Motorströme und angelegten Spannungen zu berechnen. Der Motorstrom wird dabei in der Regel über Shunt-Widerstände erfasst, während ein Mikrocontroller diesen Strom an bestimmten Punkten im Pulsweitenmodulationszyklus (PWM-Zyklus) abtastet, um die einzelnen Phasenströme zu rekonstruieren.

Zur Vereinfachung des Regelungsprozesses werden diese Drehströme mithilfe von Clarke- und Park-Transformationen in ein zweidimensionales, rotierendes Bezugssystem (d-Achse und q-Achse) umgewandelt. Proportional-Integral (PI)-Regler steuern diese Ströme (Id und Iq) anschließend so, dass ein Phasenvorlauf von 90° aufrechterhalten wird, bevor eine inverse Clarke/Park-Transformation das Ergebnis an das PWM-Modul zurückführt. So wird das erforderliche dreiphasige Statorfeld zur Ansteuerung des Motors erzeugt (Bild 2).

Die Berechnung jedes Kommutierungsschritts erfordert erhebliche Rechenleistung, was Entwickler oft dazu veranlasst, teure, leistungsstarke Mikrocontroller oder digitale Signalprozessoren (DSPs) einzusetzen. Um dieses Problem zu lösen, hat Toshiba einen Hardware-Beschleuniger für Mikrocontroller entwickelt, der als Vektor-Engine (VE) bezeichnet wird. Durch die Auslagerung der komplexen Clarke/Park-Transformationsberechnungen an die VE kann die Auslastung der CPU im Vergleich zu einer rein softwarebasierten Implementierung um bis zu 70 % reduziert werden (Bild 3). So bleibt Rechenkapazität für zusätzliche Echtzeitaufgaben wie Kommunikation, Diagnose oder prädiktive Wartung.

Die SmartMCD-Familie

Toshibas wachsende Palette an SmartMCD-Mikrocontrollern umfasst die Advanced-Vector-Engine alpha (A-VEα), die die vierte Generation dieses VE-Hardware-Beschleunigers darstellt (Bild 4). Die A-VEα bietet Verbesserungen wie die Unterstützung für ein optimiertes Strommess-Timing mit Ein-Shunt-Topologie sowie eine robuste Regelung. Ebenfalls neu sind ein flexibler Task-Scheduler und die Integration mit den ADC-Kanälen und PWM-Einheiten des programmierbaren Motortreiberblocks (PMD). Zudem ermöglicht ein Phasentimer die Durchführung einer automatischen Theta (θ)-Kompensation für geplante Wiederholungen und synchronisierte Interaktionen.

Das neueste Mitglied der SmartMCD-Familie ist der TB9M040FTG, der für kostenoptimierte Automobilanwendungen mit begrenztem Bauraum entwickelt wurde. Das nach AEC-Q100 Grade 0 qualifizierte und ASIL-B-fähige Bauelement integriert eine 2-A-Treiberstufe, die für die Ansteuerung von Motoren mit bis zu 40 W geeignet ist (Bild 5). Dies ergänzt die TB9M003/030FG-Komponenten von Toshiba, die den Leistungsbereich von 40 W bis etwa 1.000 W abdecken. Es ist zudem das erste Bauelement der Produktfamilie, das den Arm-Cortex-M23-Prozessor nutzt, der mit bis zu 40 MHz arbeitet.

 Der TB9M040FTG verfügt über einen LIN-Bus (Local Interconnect Network) für die fahrzeuginterne Kommunikation sowie einen integrierten 5-V-Regler, der eine direkte Stromversorgung des Chips über das 12-V-Bordnetz des Fahrzeugs ermöglicht. Strom- und Überhitzungsschutz sind ebenfalls gegeben sowie eine dedizierte Schnittstelle für Hall-Sensoren und Encoder, soweit erforderlich. Die Ausstattung wird durch einen 12-Bit-ADC, 80 KB Flash-Speicher, 4 KB SRAM und 12 KB Boot-ROM abgerundet, wobei alle Speicher vollständig mittels ECC (Error-Correcting Code) geschützt sind.

Die PMD-Einheit (Bild 6) erzeugt komplementäre 3-Phasen-PWM-Signale (0,06 kHz bis 117 kHz) mit individuell wählbaren Wellenformen und Phasenverschiebungen. Sie bietet außerdem einen Überstromschutz und eine Totzeitregelung, um Kurzschlüsse zwischen High- und Low-Side zu verhindern.

Im Unterschied zu anderen Bauelementen der Produktfamilie verfügt der TB9M040FTG über eine integrierte dreiphasige Wechselrichterstufe mit High-Side- und Low-Side-MOSFETs für bis zu 2 A. Er beinhaltet außerdem eine registerprogrammierbare Slew-Rate-Regelung zur gezielten EMV-Optimierung sowie eine hardwarebasierte Fehlerbehandlung, die Drain-Source-Unterbrechungen überwacht. Tritt ein Fehler auf, versetzt der Brückentreiber alle Ausgänge in einen hochohmigen Zustand, um den Motor zu schützen.

Für Anwendungen, die zusätzlich eine präzise mechanische Erfassung benötigen, steht die A‑ENC32‑Peripherie zur Verfügung (Bild 7). Die Encoder-Eingangsschaltung unterstützt Inkrementalgeber (Typen AB und ABZ), 2-Phasen- und 3-Phasen-Hall-Sensoren sowie die Nulldurchgangserkennung für Gegen-EMK (gegen-elektromotorische Kraft) -basierte Verfahren (BEMF).

Optimierte Softwareentwicklung

Um Entwicklungsteams dabei zu unterstützen, ihre aufgebaute Expertise optimal einzusetzen, bietet Toshiba ein modulares Software-Support-Paket an. Die Softwarearchitektur ist klar unterteilt in Low-Level-Treiber (LLD) zur Steuerung der gängigen Mikrocontroller-Peripherien und in Motortreiber der höheren Ebene (MC_FOC). Die Evaluierung der TB9M040FTG-Software wird durch nichtkommerzielle Objektcode- und Quellcode-Versionen unterstützt. Eine lizenzierte Version für den kommerziellen Einsatz, die den Quellcode umfasst, ist ebenfalls verfügbar.

Fazit

Der TB9M040FTG erweitert die SmartMCD‑Familie also um eine besonders kompakte und kosteneffiziente Lösung für Anwendungen im Leistungsbereich bis zu 40 W (Bild 8). Dank integrierter 2-A-Treiberstufe, Hardware‑Beschleunigung und umfangreicher Peripherie eignet sich das Bauelement ideal für moderne Automotive‑Motoranwendungen und ergänzt das Portfolio rund um TB9M003/030FG.

Der Autor

Klaus Neuenhüskes
ist Senior Manager Marketing Halbleiter bei Toshiba Electronics Europe.

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