Anwendungsbeispiel ARM-Cortex
Rückenwind durch Cortex-M3
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Elektronik-Hardware und -Software
An das Schlüsselbauelement, die MCU, stellte Firmenchef Wilhelm Daum vor allem drei Anforderungen: Sie sollte auf Grund der Nutzung in den beiden Cockpit-Versionen sowie zur Motorsteuerung zum einen skalierbar und flexibel sein, zum anderen aber auch eine schnelle Umsetzung des Designs ermöglichen, obwohl das Unternehmen zuvor noch keinerlei Design-Expertise im Bereich der Ansteuerung von Elektromotoren aufgebaut hatte. Darüber hinaus war es drittens notwendig, diverse Sensoren (Drehmoment, 3D-Lage, Druck etc.), Module (GPS, Mobilfunk) und Schnittstellen (SD-Card, Taster, Drehsteller) direkt anzubinden sowie die Halbbrückentreiber der Motorwicklungen ohne zusätzliche Logikelemente unmittelbar anzusteuern.
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Der Cortex-M3 bot die entsprechenden Grundvoraussetzungen, denn er liefert mit seiner neuen Architektur eine hohe Leistungsfähigkeit und ist bestens für den Embedded-Bereich geeignet. Die Systemlösung von STMicroelectronics rund um STM32 kam Daum Electronic da sehr entgegen, denn schließlich handelt es sich hierbei um einen skalierbaren Mikrocontroller mit einem Core des Typs Cortex-M3, der einerseits eine Motorsteuerung in Echtzeit durchführen kann, aber andererseits auch noch genügend Ressourcen hat, um die Kommunikation mit den zahlreichen Peripherieelementen zu gewährleisten, was hier unbedingt notwendig war.
Da Firmware-Upgrades per SD-Karte möglich sein sollten, stand nicht nur eine echte SD-Kartenschnittstelle (mit C-Schnittstelle) im Pflichtenheft, sondern es waren auch die entsprechenden Flash-Upgrade-Routinen dafür erforderlich.
Auf der Software-Seite wurden im Cortex-M3-Befehlssatz ganz gezielt die DSP-Befehle genutzt, um die speziellen Timer-Blöcke mit PWM-Elementen im STM32 anzusteuern, die hauptsächlich für die Motorsteuerung geeignet sind. Mit der Software-Bibliothek von STMicroelectronics konnten z.B. die Regel-Algorithmen zügig implementiert werden. Außerdem war man in der Lage, Elemente der proprietären Software, die sich bereits in den Fitnessgeräten von Daum Electronic bewährt hat, in die Cortex-M3-Welt zu portieren.
Einbettung in das Gesamt-System
Daum Electronic hat als erster deutscher Hersteller ein komplettes Mittelmotor-Antriebssystem für Pedelecs entwickelt. Sogar den Motor hat das Unternehmen selbst entwickelt, und es fertigt ihn auch selbst nach den Vorgaben der DIN EN 15194.
Da im Fahrrad großer Platzmangel herrscht, hat Daum Electronic einen BLDC-Motor mit besonders geringem Platzbedarf entwickelt, die Motorelektronik direkt um den Motor herum aufgebaut und diese dann komplett im Motorgehäuse vergossen. Bei einer derart hochkompakten Bauweise spielt das thermische Verhalten der Leistungshalbleiter natürlich eine wesentliche Rolle. Hier kommen Leistungshalbleiter des Typs PolarPac von Vishay zum Einsatz. Diese MOSFETs werden sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite gekühlt, so dass die Wärme gut abfließen kann. Bei den MOSFET-Treibern handelt es sich um die gleichen Standard-Halbbrückentreiber, wie sie auch auf dem Evaluation-Board verbaut sind.
Das System arbeitet mit einer Gleichspannung von 36 V im Zwischenkreis -- ein Wert, der sich durch die Lithium-Ionen-Akkus ergibt. Obwohl der komplette Akkupack nur 3,6 kg wiegt, ist es damit möglich, Strecken bis zu 80 km mit einer Akkuladung zurückzulegen -- und zwar abhängig vom gewählten Unterstützungsgrad, der Geländebeschaffenheit, dem Körpergewicht und dem Gegenwind. Spätestens drei Stunden nach Beginn des Ladevorgangs steht der Akku wieder mit voller Kapazität zur Verfügung.
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