Neuer Mikrocontroller für elektrische Motorsteuerungen
Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
A/D-Wandler und POE
Je stärker die industrielle Motorsteuerung ins Blickfeld rückt, um so mehr ist die Sicherheit dieser Systeme ein Thema. Neben vielen weiteren sicherheitsspezifischen Einrichtungen verfügt der SH7137F über POE-Pins (Port Output Enable). Diese Pins haben die Aufgabe, den Timer-Ausgang über einen Hardware-Mechanismus zu deaktivieren, um ein deutlich schnelleres und zuverlässigeres Abschalten des Motors herbeizuführen. Ein Anwendungsbeispiel für diese Funktion findet sich bereits in einer simplen Waschmaschine. Wird hier die Frontklappe geöffnet, muss die Trommel sofort zum Stillstand kommen. Normalerweise würde man dies mit einem Interrupt implementieren, der beim Ansprechen eines Türsensors ausgelöst wird und das Anhalten des Motors veranlasst. Diese Funktion aber stützt sich naturgemäß auf Software und hängt von der Fähigkeit des Mikrocontrollers ab, rasch genug zu reagieren. Würde der Türsensor dagegen mit einem POE-Pin des SH7137F verbunden, käme der Motor sofort und ohne Umweg über die Software zum Stillstand.
Jobangebote+ passend zum Thema
Neben der MTU2 enthält der SH7137F auch zwei 8-kanalige 12-bit-A/D-Wandler (ADC), die eine Umwandlungszeit von 1,25 μs erreichen und ebenfalls speziell mit Blick auf Motorsteuerungen konzipiert sind. Darüber hinaus sind auch alle übrigen Merkmale vorhanden, die ein leistungsfähiger ADC mitbringen muss.
Beim ADC des SH7137F handelt es sich in Wirklichkeit um eine Kombination aus zwei 8-bit-A/D-Wandlern. Während die Kanäle 0 bis 7 zu ADC_0 gehören, sind die Kanäle 8 bis 16 in ADC_1 zusammengefasst. Jedes Modul verfügt über einen eigenen Sample-and-Hold-Block, und die ersten drei Kanäle eines jeden Moduls sind jeweils mit einer eigenen Sample-and-Hold-Stufe ausgestattet. Der nach dem Successive-Approximation-Verfahren arbeitende ADC ergibt einen guten Kompromiss zwischen Umwandlungsgeschwindigkeit und Kosten-Nutzen-Aspekt.
Die Umwandlungen lassen sich wie bei jedem herkömmlichen ADC per Software anstoßen, jedoch wartet der SH7137F mit zwei zusätzlichen Methoden zum Triggern der Umwandlungsvorgänge auf. Während die Triggerung über einen externen Anschluss (LSI) erfolgen kann, lässt sich eine Umwandlung auch über ein Hardware-Signal von MTU2 oder MTU2S starten. Dies ist besonders in den oben beschriebenen Motorsteuerungs-Applikationen von Vorteil, um die U- und V-Phasenströme zu messen (Bild 2).
Schnell und zuverlässig: MONOS-Flash
Neben dem Verhalten der CPU und Peripherien ist der Speicher bei Echtzeit-Anwendungen sehr wichtig. Benötigt wird schneller Embedded-Flash-Speicher, welcher die CPU nicht ausbremst und in hohem Maße deterministisches Verhalten aufweist. Alle Bytes des Speichers sollen sich gleich verhalten, nämlich ohne Wartezyklen und zwar ohne Caches oder ähnliches. Die MONOS-Flash-Technologie von Renesas, die im SH713x zum Einsatz kommt, leistet dies und ist zudem sehr zuverlässig.
Der große Vorteil der MONOS-Technologie (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) besteht darin, dass die 0/1-bestimmenden Ladungsträger im Falle einer Störung nicht alle abfließen, sondern nur – und dazu in geringem Umfang – an der Störungsstelle. Dies steigert die Zuverlässigkeit erheblich. Bei konventionellem Flash-Speicher mussten die Abmessungen teilweise erhöht werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Bei MONOS-Flash ist dies nicht notwendig, die Abmessungen können sogar verringert werden. Kleinere Zellen sind aber auch schnellere Zellen.
Das Resultat ist eine echte Lesezugriffszeit von nur 10 ns bei gleichzeitig extrem hoher Zuverlässigkeit über den gesamten Temperaturbereich von –40 bis +125 °C hinweg. Für Anwendungen im Automotive-Bereich kommen auch ungehäuste Chips („Bare Die“) zum Einsatz. In diesem Fall beträgt die maximale Temperatur mehr als 150 °C. Das gilt für die gesamte Funktion wie Lesen, Schreiben und Löschen. Durch die üblichen Kniffe wie breite Busse ist es möglich, dann sogar effektive Zugriffszeiten von nur 5 ns zu erreichen, und dies bei nur geringen Einbußen an deterministischem Verhalten.
Größere Bedeutung auf dem Umrichter-Markt hat indes die Tatsache, dass die MTU2 in jedem Kanal spezielle Funktionen für eine ebenso sichere wie hochpräzise Motorsteuerung aufweist. Die Kanäle 3 und 4 lassen sich mit dem „Complementary PWM Mode“ einfach für die Generierung von Dreiphasen-PWM-Signalen zur Ansteuerung des Umrichters konfigurieren.
Bild 1 verdeutlicht die Erzeugung von PWM-Ausgangssignalen mit dem besagten Komplementär-Modus und bereits eingefügter Totzeit. Die blaue Kurve zeigt Kanal 3, die violette Kurve Kanal 4. Der Wechsel des Ausgangs von positiv auf negativ erfolgt, sobald einer der beiden Zähler den in TGR4C gespeicherten Wert erreicht. Während Kanal 3 so konfiguriert ist, dass er nur bis zu dem in TCDR abgelegten Wert hochzählt, zählt Kanal 4 abwärts bis zu dem in TDDR gespeicherten Wert. Dadurch ist gewährleistet, dass die beiden Kanäle und der entsprechende PWM-Ausgang eine konstante Totzeit zwischen den Zustandswechseln einhalten. Während das Diagramm nur ein Paar komplementärer PWM-Signale wiedergibt, können insgesamt drei Paare auf nur zwei Kanälen des MTU2 implementiert werden.
Kanal 2 unterstützt zusätzlich den besonderen Phasenzähler-Modus, mit dem das quadraturcodierte Ausgangssignal des Motors ausgewertet werden kann. Kanal 5 wiederum enthält die Totzeit-Kompensation als das neueste Leistungsmerkmal des MTU2.
Eine Betrachtung des heutigen Umrichter-Markts offenbart, dass die Systeme und Leistungsstufen nicht ideal sind. Es ist also normal, dass die Leistungsstufe das vom Mikrocontroller ausgegebene PWM-Signal mit einer gewissen Verzögerung umsetzt. Dass dies problematisch sein kann, leuchtet ein: Wenn die Verzögerung beim Zustandswechsel des Signals von Eins auf Null zu lang ist, ist nicht auszuschließen, dass das PWM-Signal wieder auf Null zurück wechselt, bevor die Ausgangsstufe umgeschaltet hat. Die Folgen können katastrophal sein: Wenn beide Leistungsstufen gleichzeitig eingeschaltet sind, ist die Zerstörung des Motors möglich. Kanal 5 des Timers MTU2 wird intern von den Kanälen 3 und 4 getriggert, um die Abweichung zwischen der Soll-Totzeit und der tatsächlichen Totzeit zu ermitteln. Dies geschieht mit einer einfachen Rückkopplung vom Ausgang der H-Brücke in der Leistungsstufe. In den nachfolgenden PWM-Zyklen wird die so festgestellte Abweichung kompensiert, indem der Mikrocontroller eine andere Totzeit anfordert. Bild 2 skizziert, wie der Mikrocontroller für eine Motorsteuerungs-Anwendung zu konfigurieren ist.
- Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash
- Autoren:
- A/D-Wandler und POE
- Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash
- Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash
- Totzeit-Kompensation verhindert Motor-Crash
