Real-Time-Signal-Controller Antriebe kosten- und energieeffizient machen

Viele Anbieter von elektrischen Antrieben denken über eine Erweiterung ihres Produktportfolios nach. Die Gründe dafür sind nahe liegend, sorgt doch der Trend nach verbesserter Energieeffizienz für steigende Nachfrage bei drehzahlgeregelten Antrieben. Das gilt sowohl für Consumer-Lösungen im Low-End-Bereich, wo die Hersteller mit hochwertigeren Antrieben ihre Margen verbessern können, als auch für Anbieter im High-End-Bereich, die ihre technologischen Stärken in innovative Lösungen für das Low-End-Segment mit entsprechen hohen Stückzahlen umsetzen wollen. Neue Real-Time-Signal-Controller bieten sich hierfür an.

Beim Stromverbrauch fällt Elektromotoren eine Schlüsselrolle zu. Nach einer Studie des VDE aus dem Jahr 2008 entfallen in Deutschland auf die Industrie allein 240 TWh pro Jahr des elektrischen Energieverbrauchs, auf die Haushalte 140 TWh, die Versorger 130 TWh und den Transport 16 TWh. Allein 50 Prozent der gesamten elektrischen Energie benötigen elektrische Antriebe in der Industrie und in den Haushalten.

Am meisten könnten laut VDE effizientere Drehstrommotoren im Leistungsbereich von 1,1 kW bis 37 kW sparen. Von den rund 100 Millionen Haushaltsgeräten, die mit elektrischen Kleinmotoren betrieben werden, haben die meisten Wirkungsgrade zwischen 40 und 75 Prozent. Möglich wären nach VDE-Einschätzung jedoch 85 Prozent. Damit verbundene Energieeinsparpotenziale beziffert der Verband auf etwa 8,2 TWh pro Jahr.

In Deutschland gibt es außerdem rund 30 Millionen Heizungspumpen mit einer Leistung unter 200 W. Sie verbrauchen etwa 3,5 Prozent der in Deutschland insgesamt eingesetzten elektrischen Energie. Neue, elektronisch geregelte Heizungspumpen kommen mit bis zu 50 Prozent weniger Energie aus als gängige Standardpumpen mit Asynchronmotoren und mit bis zu 70 Prozent weniger als ungeregelte Pumpen, wie sie vielfach noch in Gebäuden anzutreffen sind.

Entscheidend ist hier, dass die Pumpen immer mit der optimalen Geschwindigkeit laufen, denn eine Pumpe die mit halber Geschwindigkeit läuft, benötigt nur ein Achtel der Energie im Vergleich zum Betrieb mit voller Geschwindigkeit.

Signale schnell verarbeiten

In vielen Applikationen, in denen elektrische Motoren angesteuert werden, sind zahlreiche externe Signale schnell zu verarbeiten. Mit anderen Worten, es ist eine hohe Echtzeitleistung gefordert. Für derartige Anwendungen erscheint die Controllerfamilie »XE166« von Infineon mit ihren geringen Latenzzeiten für die Interrupt-Antwort und dem schnellen Context-Switching als geeignet. CPU-Core, Peripheral-Event-Controller (PEC) und die Peripheriefunktionen sind entsprechend für ein effizientes Interrupt-Handling ausgelegt.

Dies gilt insbesondere in Applikationen mit mehreren Motoren. Die Capture/Compare-Einheit (CCU6E) mit zwei Timern für die Signalerzeugung soll effiziente Designs ermöglichen, unabhängig von der Art des zu treibenden Motors beziehungsweise des Steuerungsalgorithmus‘.

Das Spektrum der von den 16-Bit-MCUs der XE166-Familie (Bild 1) adressierten Anwendungen reicht von relativ einfachen Steuerungsaufgaben in Pumpen, Lüftern, Kompressoren oder Klimatechnik bis hin zu komplexeren Lösungen für Servoantriebe, CNC-Maschinen, Prozessteuerungen und Robotik.

Ein besonders wichtiges Anwendungsfeld für die XE166-Produkte ist die effiziente Ansteuerung von Umrichtern. Damit lassen sich besonders energiesparende Lösungen in den Bereichen Transport (Gabelstapler, Baumaschinen, Landmaschinen, Trambahnen, etc.) aber auch bei erneuerbaren Energien (Photovoltaik, Windenergie, Brennstoffzellen, etc.) realisieren.

Für solche Anwendungen bieten sie eine skalierbare Rechenleistung von 66 MIPS bis 160 MIPS, 32 KByte bis 1,6 MByte Embedded-Flashspeicher, 12 KByte bis 138 KByte RAM, PWM-Einheiten für bis zu vier Motoren, A/D-Wandler mit 8 Bit, 10 Bit und 12 Bit Auflösung sowie zehn bis 30 Kanäle, bis zu sechs CAN-Knoten und zwei bis zehn softwaredefinierte serielle Schnittstellen.

Die Gehäuseoptionen reichen von 38 bis zu 176 Pins; die Controller sind nicht nur für den industriellen sondern auch für den Automotive-Temperaturbereich bis zu +125 °C Umgebungstemperatur verfügbar.

Weitere integrierte Funktionen wie ein Spannungsregler, EEPROM-Emulation mit zusätzlichen Flash-Modulen, Oszillator, Watchdog und Brown-out-Erfassung sollen die Anzahl der externen Komponenten und damit die Systemkosten (BOM) reduzieren.

Neue Low-End-Derivate

Die neuen MCU-Serien »XE16xU« und »XE16xL« zielen auf kosteneffiziente Motorsteuerungen, die bisher meist von High-End-8-Bit-MCUs oder Low-End-DSPs adressiert wurden. Die neuen Low-End-Derivate aus der XE166-Familie liefern eine Rechenleistung von 66 MIPS, 32 KByte bis zu 160 KByte Flash-Speicher und einen SAR-A/D-Wandler mit 12 Bit Auflösung, einer Wandlungszeit von 600 ns und einer Synchronisierungsmöglichkeit.

Die PWM-Auflösung liegt bei 12,5 ns. Das Gehäusespektrum umfasst Versionen mit 38, 48 und 64 Pins. In Bezug auf die Performance erweitern sie die 8-Bit-Mikrocontroller-Familie von Infineon dank einer MAC-Einheit für DSP-Operationen.

Die A/D-Wandlerfunktion und die PWM-Einheit (CCU6) hat Infineon über die MCU-Plattform beibehalten, sodass der Anwender selbst den oft recht komplexen Code für die Peripheriefunktionen einfach portierten kann.

Die neuen Low-End-Varianten XE16xU und XE16xL sind Opcode- und Peripherie-kompatibel, sodass sich Lösungen einfach skalierbaren lassen sowie bestehende Software wiederverwendet werden kann.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Serien XE16xL (L steht für Low-End, Bild 2) und XE16xU (U für Ultra-Low-End, Bild 3) sind die Kapazität des Flash-Speichers (160 KByte im Vergleich zu 64 KByte), der 12-Bit-A/D-Wandler (19 Kanäle bzw. zehn Kanäle) und die Zahl der PWM-Einheiten (zwei bzw. eine). Außerdem verfügen die XE16xL-Mikrocontroller über ein High-Speed-MultiCAN-Modul.