Ein „Predriver“-IC bietet Flexibilität und Sicherheit bei der Auslegung
Wie lassen sich Motoren optimal ansteuern?
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Kurzschlussschutz und Diagnose
Auch wenn ein Kurzschluss im System nicht auftreten dürfte – es passiert doch immer wieder. Probleme bei der Montage oder schlechte Lötstellen auf der Platine sind hierfür die Ursache. Die Vielzahl der Antriebe in den neuen Anwendungen offenbart das Problem: Ist die Stromversorgung eines größeren Systems durch einen Kurzschluss in einer der Systembaugruppen ausgefallen, resultiert daraus eine aufwendige Fehlersuche. Daher besteht die Forderung, einen Kurzschluss der Motorzuleitungen oder einen Fehler der Leistungsbrücke detektieren und adäquat darauf reagieren zu können. Heutige Systeme verfügen über die notwendige Intelligenz und Kommunikationsinfrastruktur, die meisten Gate-Treiber können jedoch Fehlerbedingungen weder erkennen noch die Folgen, nämlich die Zerstörung der Endstufe, verhindern. Der TMC603 nutzt hier die „High Side“-MOSFETs gleichzeitig als Sensoren: Die Brückenausgangsspannung wird beim Einschalten überwacht. Steigt die Spannung nach dem Einschalten dieser Transistoren nicht innerhalb einer definierten Zeit weit genug an, so wird die Brücke abgeschaltet und ein Fehler signalisiert. Der Mikrocontroller kann nun durch Probieren die fehlerhafte Brücke identifizieren und melden.
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HallFX – sensorlos problemlos
Angelehnt an den in der Filmbranche üblichen Terminus „SpecialFX“ für Spezialeffekte steht „HallFX“ ebenfalls für die Vorspiegelung einer Realität: HallFX emuliert Hall-Sensoren und liefert entsprechende Signale von real nicht existierenden Hall-ICs. Hall- FX basiert auf einer neuartigen Auswertung der Gegen-EMK des Motors – eine Mindestdrehzahl ist daher erforderlich. Diese Mindestdrehzahl wird durch eine Startsequenz im Schrittmotorbetrieb erreicht. Für viele Anwendungen wie Pumpen und Lüfter ist ein Betrieb bis herunter zum Stillstand nicht erforderlich, so dass diese Startsequenz unproblematisch ist.
Konkret werden zunächst die Spannungen an den drei Motoranschlüssen gefiltert und gegeneinander verglichen (Bild 3). Störsignale werden dabei eliminiert und die Hall-Signale in einem kompakten Digitalteil generiert. Hall- FX ist so konzipiert, dass die emulierten Hall-Signale ohne Phasenversatz – der in der Regel von der Software korrigiert werden muss – und ohne Verwendung einer anfälligen PLL generiert werden. Ein „Switched Capacitor“- Filter stellt dazu die benötigten effektiven Spulenspannungen zur Verfügung. Die Filterfrequenz kann auf die Chopper-Frequenz und die maximale Drehzahl abgestimmt werden. Ein Totzeit-Generator blendet den Umschalt-Spike aus. Diese Umschalt- Spikes entstehen bei Block-Kommutierung durch das Trennen einer Phase von der Versorgung, so dass die in der Spule gespeicherte Energie als Induktionsspannung sichtbar wird. Die Induktionsspannung wird durch die Bulk-Dioden der MOSFETs in die Stromversorgung zurückgeführt.
Die Dauer dieses Induktionsimpulses ist abhängig von der Induktivität des Motors und von der mechanischen Last, d.h. vom Strom zum Zeitpunkt des Trennens der betreffenden Spule.Die Ausblendzeit ist so einzustellen, dass sie sicher bis zum nächsten Kommutierungsschritt abgelaufen ist, d.h., die Ausblendzeit muss lediglich auf die minimale Kommutierungszwischenzeit eingestellt werden. Dies kann problemlos mit einem Kondensator als zeitbestimmendem Element fest eingestellt werden.
HallFX weist dabei keine praxisfremden Einschränkungen auf wie die Forderung nach einem Zugang zum Sternpunkt des Motors. Es liefert robust die emulierten Hall-Signale, die wiederum in jedem Mikrocontroller verarbeitet werden können. Der Umstand, dass diese Signale häufig präziser sind als die realen von den oft mit Versatz positionierten Sensoren, trägt zu einem höheren Wirkungsgrad des Motors bei. Darüber hinaus lassen sich sichere Systeme realisieren, bei denen zur Lageerkennung echte Hall-Signale und HallFX-Signale als Redundanz verwendet werden (Bild 4). jw
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