Intelligent und sicher Smarte Aktoren im Automobil

Der Wandel der kleinen, smarter Aktoren in der Steuerelektronik anhand einer flexiblen Ready-to-Copy-Plattform ist real geworden.
Der Wandel der kleinen, smarter Aktoren in der Steuerelektronik anhand einer flexiblen Ready-to-Copy-Plattform ist real geworden.

Kleine Motorantriebe erfahren momentan einen Wandel von simplen Anwendungen hin zu smarten Aktoren. Der Artikel thematisiert wichtige Anforderungen kleiner, smarter Aktoren an die Steuerelektronik und beschreibt anhand einer flexiblen Ready-to-Copy-Plattform aus Hard- und Software deren Umsetzung.

Die Welt wird heutzutage vom Trend zu Digitalisierung, Vernetzung und Kommunikation bestimmt. Schlagworte wie Industrie 4.0 beschreiben diese Entwicklung. Auch im Automobilbau ist dieser Trend angekommen und hat eine rapide ansteigende Anzahl elektronischer Komponenten zur Folge: Die Anzahl an Mikrocontrollern und ergänzenden Halbleitern im Automobil ist mittlerweile auf über einhundert angestiegen und die Menge an Software hat längst die Gigabyte-Grenze überschritten.

Smarte Aktoren erfordern hochintegrierte Controller

Die Anforderungen an das Automobil verändern sich grundlegend. Getrieben vor allem durch die junge Generation, treten Begriffe wie User Experience in den Vordergrund. Jederzeit vernetzt und multimedial eingebunden zu sein – nicht nur im häuslichen Umfeld, sondern auch im Fahrzeug – wird als essenziell angesehen und beeinflusst inzwischen auch die ältere Generation.

Auch der Automatisierungsgrad im Auto wächst ständig – von Fahrerassistenzsystemen bis zu immer mehr dezentral gesteuerten Funktionen in den verschiedenen Fahrzeugbereichen, von Fensterheber- und Lichtsteuerung bis hin zu Pumpen oder intelligenten Ventilen. Gefordert sind »smarte Aktoren«: Elektromotoren mit intelligenter Steuerelektronik, die gerade im Automobil häufig auch hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen müssen (Bild 1). Denn in Automotive-Anwendungen können Fehlfunktionen schnell Gesundheit von Insassen oder anderen Verkehrsteilnehmern gefährden.

Andererseits ist der Wunsch nach einem vernünftigen und schonenden Umgang mit Ressourcen ein wichtiger Aspekt des alltäglichen Lebens, der auch die Nutzungsweise des eigenen Autos bestimmt. Wie sich die alltägliche mobile Verhaltensweise der Menschen ändert, ist aber nicht nur eine Frage des ökologischen Gewissens oder von Gesetzesvorgaben zur CO2-Reduktion, sondern hängt auch von der Verfügbarkeit smarter, flexibler und diagnosefähiger Halbleiterlösungen ab.

Ein relevanter Faktor ist dabei die fortschreitende Standardisierung der Automobilelektronik etwa bei Vernetzung oder EMV, aber auch bei Anwendungen für Embedded Motor Control. Hier verbindet sich die Standardisierung im Bereich der Bordnetze mit dem Übergang von sogenannten bürstenbehafteten Gleichstrommotoren (Brush-type DC, BDC) hin zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC, BLDC). BLDC-Motoren bieten dank hochkomplexer Steuerungs-Software sowohl einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als auch eine längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen BDC-Motoren. Schon das erfordert aber unbedingt mehr Flexibilität und höhere Performance der Elektronik. In einem nächsten Schritt werden diese Motoren zudem mit erweiterter Intelligenz versehen. So können sie auf Applikationsebene schneller und effizienter auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren. Darüber hinaus lässt sich dadurch auch vorausschauend das »Gesamtkonzept Fahrzeug« effektiver betreiben, was Kosten spart und Ressourcen schont.

Das alles zusammengenommen ist eine Grundvoraussetzung dafür, das Automobil zusammen mit Vernetzung und Diagnose als geschlossene Einheit behandeln zu können, die in einem weiteren Schritt ihren momentanen Zustand sogar mit der Außenwelt abgleichen kann. Notwendig für die Umsetzung dieser neuen Anforderungen ist die Verkleinerung der Halbleitertechnologie-Knoten, kombiniert mit der Integration von analogen und digitalen sowie Speicher- und Leistungskomponenten auf einem einzigen Baustein. Das Ziel: mehr Funktionen und weniger Verlustleistung auf immer kleinerem Raum zu ermöglichen. Verbindet man diesen Funktionsfortschritt mit der Performance und Flexibilität einer hochwer-tigen Standard-CPU, ist die Realisierung eines smarten Aktors ein Leichtes. Als Nebeneffekt ermöglicht die optimierte Integration eine bessere Konzentration auf Funktion, Vernetzung, Motoreffizienz und CO2-Reduktion. Dabei ergibt sich auch die Optimierung der gesamten Systemkosten pro Applikation von selbst. Last but not least: Durch die gesteigerte Flexibilität und einfache Wiederverwendbarkeit von Hardware und Software kann auch die Entwicklung von Derivaten der ursprünglichen Implementierung mit deutlich geringerem Zeit- und Kostenaufwand erfolgen.
Soweit die Theorie. Wie kann nun die praktische Realisierung solch smarter Aktoren aussehen? Hier sind sowohl technische Aspekte, wie Leistung, Verbrauch, Hard- und Software-Entwicklung als auch kommerzielle Aspekte, beispielsweise Kosten, Produktion, Nachhaltigkeit zu beachten.

Aus der Praxis: Smart-Actuator-Plattform für Automotive

Die Entwicklung smarter Aktoren stellt Zulieferer, die entsprechende Anforderungen ihrer Kunden erfüllen müssen oder ihre Produkte mit intelligenten Funktionen aufwerten wollen, vor erhebliche Herausforderungen. Viele Unternehmen haben noch nicht die dafür erforderlichen Elektronik-Kompetenzen und Ressourcen aufgebaut, um Hard- und Software für die Ansteuerung des Antriebs, den Anschluss an Fahrzeugelektronik oder das Bus-System zu entwickeln. Hinzu kommt, dass häufig auch Anforderungen an die funktionale Sicherheit berücksichtigt werden müssen, was besonderes Know-how erfordert.

Für die Hardware sind inzwischen hochintegrierte Controller-Bausteine verfügbar, wie sie für smarte Aktoren notwendig sind. Aktuelle Embedded-Controller für Elektromotoren wie die neue High-Voltage-Controller-Familie (HVC) von TDK-Micronas kombinieren einen Standard-ARM-Mikrocontroller-Core mit zahlreichen Zusatzfunktionen, für die bisher diskrete Schaltelemente notwendig waren. So bringt der neue hochintegrierte Embedded-Controller für Elektromotoren HVC 4223F Flex-Servo-Drive bereits fast alle Schaltungskomponenten mit, die zum flexiblen Antrieb von Elektromotoren benötigt werden, zum Beispiel Mehrkanal-ADC, SPI, programmierbare Verstärker, integrierte Diagnose- und Netzwerkfunktionen (LIN) sowie Spannungsregler, um das Bauelement direkt mit dem Automo¬tive-Bordnetz (5,4 bis 18 V) zu verbinden.

Der kompakte Controller kann Bürsten-, Stepper- oder bürstenlose Motoren bis zehn Watt Leistung direkt ohne externe Treiber ansteuern. Er wurde konzipiert, um kompakte und kosteneffiziente Systemkonzepte für den Einsatz in Automotive-Anwendungen und anderen Branchen zu ermöglichen.

Doch nicht nur Hardware-Komponenten, auch aufwendige Software-Entwicklungen sind ein relevanter Kostenfaktor. Deshalb liefert TDK-Micronas für den HVC 4223F das umfangreiche Software-Paket NTMicroDrive (Bild 2) mit, das den Aufwand für die Entwicklung von Motorsteuerungsanwendungen minimiert. NTMicroDrive, entwickelt vom deutschen Elektronik- und Sicherheitsspezialisten NewTec, umfasst eine flexibel parametrisierbare Firm-ware, die auch Stromaufnahme, Spannung und Temperaturbereiche überwacht, sowie ein Testwerkzeug mit grafischer Benutzeroberfläche. Zusammen bieten Chip und Software eine Ready-to-Copy-Plattform für intelligente Motorsteuerungen, die auch Herstellern mit limitierten Entwicklungsressourcen einen einfachen Zugang zu den vielfältigen Möglichkeiten des Chips verschafft.

Die LIN-Schnittstelle von NTMicroDrive ist so aufgebaut, dass der Anwender Einfluss auf die LIN-Kommunikation nehmen und eigene LIN-Kommandos nutzen kann. Damit kann die Firmware bei Bedarf flexibel durch neue Funktionen erweitert werden. Zudem lässt sich die Firmware ohne Programmierkenntnisse an verschiedene Motortypen anpassen. So können mit einer Plattform unterschiedliche Anwendungen realisiert werden. Hersteller profitieren von Synergien, mehr Effizienz und weniger Aufwand bei Beschaffung, Eingangskontrolle, Lagerhaltung, Qualitätssicherung und Obsoleszenz-Management.