TriCore-Mikrocontroller für Motorsteuerungen Eingebettete Echtzeit

Für Anwendungen wie elektrische Antriebe, industrielle Maschinen, mobile Arbeitsgeräte und den Antriebsstrang vieler Kraftfahrzeuge besteht neben den technischen Forderungen wie harter Echtzeit und großer Auswahl an integrierten Funktionsmodulen der Wunsch nach langfristiger Verfügbarkeit, höchster Zuverlässigkeit und die Erfüllung von Anforderungen der funktionalen Sicherheit.

Moderne elektrische Antriebssysteme sind ohne intelligente und komplexe Frequenzumrichter nicht mehr denkbar. In Europa werden 4 Millionen dieser Umrichter jährlich gefertigt. Die steigenden Anforderungen an Geschwindigkeit, Präzision, Energieeffizienz und Kommunikation verlangen nach leistungsfähigen und flexiblen Mikrocontrollern. Kostensenkungen versprechen „Single-Chip“-Umrichter. Der in einem 90-nm-Prozess gefertigte 32-bit-TriCore wurde speziell für diese Klasse eingebetteter Echtzeitsysteme mit hoher Interrupt-Last bei gleichzeitig hoher Rechenleistung ausgelegt. Entscheidend für die Gesamtsystemleistung ist das gute Zusammenwirken des Rechenkerns mit den Peripherieeinheiten.

Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt oben den Rechenkern und dessen Anbindung an den Programm- und Datenspeicher. Der interne Flash-Speicher ist über einen schnellen 64-bit-Bus angeschlossen. Der TriCore bietet eine Vielzahl von intelligenten Peripheriemodulen. Für die Umrichter-Funktionalität am wichtigsten sind dabei die Timer-Einheit GPTA und die A/D-Wandler. Weitere Module sind der System-Timer (STM), die I/O-Ports, die seriellen Schnittstellen - zum Beispiel für den Anschluss von Wickelgebern - und das MultiCAN-Kommunikationsmodul. Diese Einheiten sind durch einen 32-bit-System-Peripheriebus (SPB) verbunden. An diesem Bus hängt auch ein zweiter, kleiner 32-bit-RISC-Rechenkern, der sogenannte Peripheral Control Processor (PCP).

Der PCP ist speziell ausgelegt auf die Bearbeitung zeitkritischer, kurzer Interruptfunktionen und hat über den SPB einen schnellen Zugriff auf die Peripherie. Er kann die Ein- und Ausgangssignale vorverarbeiten, aufbereiten und dann an die TriCore-CPU übergeben oder aber unabhängig von der TriCore-CPU arbeiten. Ein TriCore-Mikrocontroller ist also stets ein asymmetrischer Dual-Core-Prozessor, bei dem der PCP die TriCore-CPU entlastet.

Im Prinzip besteht der Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Der Wechselrichter besteht aus einer Schaltbrücke auf Basis von MOSFETs oder IGBTs, deren Ausgangsspannung durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt wird. In mehreren Regelkreisen bestimmt der Mikrocontroller die Rotorlage des Motors über einen Resolver oder Encoder, misst die Phasenströme des Motors und errechnet das PWM-Signal entsprechend den Vorgaben von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit. Üblich sind PWM-Frequenzen von 4 und 20 kHz. Beim TriCore wird das PWM-Signal durch das GPTA erzeugt, eine generische Timer-Einheit, die flexibel an die speziellen Anforderungen des Umrichters oder eines Betriebsmodus angepasst werden kann.