Entwicklungs-Support Motorsteuerungen – so einfach wie nie

Mittlerweile bieten die meisten MCU-Hersteller für die Motorsteuerung umfangreichen Entwicklungs-Support. Gibt es überhaupt noch Unterschiede, oder kann der Entwickler einen x-beliebigen Controller-Lieferant auswählen, ohne Gefahr zu laufen, eine schlechte Wahl getroffen zu haben?

Der von den Controller-Herstellern angebotene Support fängt bei den einzelnen Komponenten an, geht über Entwicklungs-Boards und Referenz-Designs und endet bei FOC-Algorithmen (Vektorregelung). Wo liegt also die Differenzierung? "Es ist eine durchaus richtige Beobachtung, dass auf Bauteileebene eine Differenzierung immer schwieriger wird", erklärt Uwe Bröckelmann, Technischer Direktor EMEA von Analog Devices. Wobei das Phänomen nicht auf Controller beschränkt sei, das habe bei den A/D-Wandlern und Operationsverstärkern angefangen und reiche jetzt eben bis hin zu Standard-Prozessoren, die in komplexen Anwendungen eingesetzt werden. 

Will ein Hersteller also nicht in der Masse untergehen, muss er Besonderes bieten. Den Weg, den Analog Devices beschreitet, beschreibt Bröckelmann folgendermaßen: Analog Devices arbeite sehr eng mit Kunden zusammen. Dabei würde die bestehende Architektur eines Systems überdacht, und so würden neue, kostengünstigere und differenzierende Ansätze gefunden. Was das in der Motorsteuerung bedeuten kann, macht Bröckelmann an einem Beispiel deutlich: "In höherwertigen Systemen ist eine Verschiebung der Isolationsbarriere zwischen DC-Zwischenkreis und Applikationsprozessor zu sehen. Damit lassen sich die Aufwände deutlich vereinfachen. Analog Devices unterstützt diesen Trend mit neu vorgestellten Bauteilen für Strommessung, wie beispielsweise mit dem AD740x, und isolierten Gate Treibern, wie der ADuM413x-Familie." Daneben hat Analog Devices seine Mixed-Signal-Prozessoren ADSP-CM4xy speziell für den Motor-Control-Markt entwickelt. Sie basieren auf Cortex-M4-Rechenkernen, verfügen aber zusätzlich auch über alle nötige analoge Peripherie. Und auch bei den Prozessoren schafft Analog Devices Differenzierungsmerkmale: "Das neuste Familienmitglied, der ADSP-CM41x mit zwei Rechenkernen (einem Cortex-M4 und einem Cortex-M0) wurde vom TÜV Süd für sein Konzept zur funktionalen Sicherheit zertifiziert. Damit können Kunden eine sichere Motorsteuerung mit weniger Komponenten aufbauen", so Bröckelmann.

Emmanual Sambuis, Executive Director, MCU & Connectivity Products bei NXP Semiconductors, sieht die Sache für NXP einfacher. Er glaubt, dass es trotz der Vielzahl der Anbieter möglich sei, sich vom Wettbewerb zu differenzieren. Zwar bietet nicht nur NXP die grundlegenden Building-Blöcke in Bibliotheken, mit denen die Entwickler eine FOC-Steuerung realisieren können, sondern das Unternehmen arbeite auch an anderen Algorithmen, die verfügbar gemacht werden sollen. In Richtung Hardware verweist Sambuis auf die Kinetis-KV5x-Familie, die das Unternehmen auf der diesjährigen embedded world vorgestellt hat. "Das ist eine der wenigen Controller-Familien, die auf einem Cortex-M7-Core basieren", so Sambuis weiter. Die MCUs der Kinetis KV5x Familie sind mit bis zu 220 MHz getaktet und verfügen über eine Gleitkommaeinheit mit einfacher Genauigkeit. Sambuis: "Die Controller verfügen aber nicht nur über einen leistungsstarken Rechenkern, sondern auch über die notwendigen Peripherals." So sind beispielsweise PWM-Module mit einer Auflösung von 284 ps, vier 12-Bit A/D-Wandler mit 5 MSPS und drei FlexCAN-Module integriert, optional kommt dann noch eine Ethernet-Kommunikation oben drauf. Hinzu kommt natürlich der oben bereits genannte Support wie Referenz-Designs, Software-Bibliotheken und Konfigurations-Tools für den Motor. Sambuis: "Wie gut sich ein Controller für die Motorsteuerung eignet, hängt aber nicht nur vom Core und den Peripherals ab, sondern auch von der Interaktion zwischen diesen Funktionsblöcken - wie ein Controller Strom und Spannung zum exakt richtigen Zeitpunkt messen kann. Darüber hinaus kommt es auch darauf an, wie diese Peripherals von einem Software-Gesichtspunkt aus genutzt werden können. Aber auch Faktoren wie die Leistungsaufnahme oder Security-Funktionen stellen Differenzierungsmerkmale dar." Natürlich böten alle Hersteller, die Komponenten für die Motorsteuerung anbieten, die wichtigsten Building-Blöcke an, "anders sieht das aber beispielsweise bei der Leistungsfaktorkorrektur", so Sambuis. Abschließend weist er noch darauf hin, dass NXP sich bereits früh auf neue Trends einstelle. So glaubt er, dass in Zukunft geschaltete Reluktanzmotoren an Bedeutung gewinnen werden, einfach weil sie sehr kostengünstig sind. "Die Ansteuerung dieser Motoren ist aber alles andere als trivial. Wer hier die entsprechende Steuerung anbieten kann, ist klar im Vorteil", so Sambuis.

Renesas Electronics wiederum macht für sich geltend, die robusteste MCU-Familie gegenüber Störgeräuschen und Spannungsspitzen anzubieten. Bernd Westhoff, Global Product Marketing Teamleader, Industrial & Communications Business Group, Renesas Electronics Europe, erklärt, dass die RX23T und RX24T-Komponenten 5-V-Bausteine sind, die die höchste Störfestigkeit aufweisen, die eine MCU haben kann. Und das ist keine Marketing-Aussage, sondern wurde durch das unabhängige Testlabor Langer EMV mithilfe von Burst-Tests bewiesen. Westhoff sieht aber noch weitere Differenzierungsmerkmale. So seien in den RX24T-Komponenten ein sehr genauer Operationsverstärker, schnelle Komparatoren und eine dedizierte Gleitkomma-Einheit integriert, mit der sich jeder 3-Phasen-Motor einfach antreiben lässt. Während der letzten sechs Monate hat Renesas zwei kompatible Familien vorgestellt: die RX23T-Serie mit 80 DMIPS, die auf Anwendungen mit einem Motor optimiert sind und die RX24T-Serie mit 160 DMIPS, mit der bis zu drei Motoren angesteuert werden können. Westhoff: "In diesen Familien sind Fail-Safe-Mechanismen integriert, wie sie von der IEC 60730-1 gefordert werden." Renesas stellt komplette Referenz-Designs für sensorlose Motorsteuerung mit FOC zur Verfügung, einschließlich kompletter Auto-Tuning- und Selbstkalibrierungs-Routinen, für die keine Royalties bezahlt werden müssen. Damit können alle 3-Phasen-Permanent-Magnetmotoren getunt werden. Westhoff weiter: "Die Evaluierungszeit schrumpft damit von mehreren Tagen auf eine einzige Stunde." Die jüngste Plattform basiert auf dem RX23T, heißt "YROTATE-IT-RX23T" und kostet weniger als 200 Euro. Als nächste Entwicklung ist eine Steuerungsplattform für zwei Motoren in der Pipeline, die auf dem RX24T basiert und die auch eine aktive Leistungsfaktorkorrektur ermöglicht. "Dank der Integration aller Analogfunktionen für die Messung der Shunt-Ströme und die Handhabung von Überströmen und -spannungen in die MCU fallen die BOM relativ niedrig aus. Einige Hersteller von Umrichtern in Europa haben sich genau aus diesen Gründen für die RX23T- und RX24T-Komponenten entschieden", so Westhoff.

On Semiconductor sucht ebenfalls eigene Wege, um sich zu differenzieren. Laut Wiren Perera, Corporate Marketing Strategy Manager Industrial IoT Segment, ON Semiconductor, hat das Unternehmen damit begonnen, alternative Algorithmen wie eine direkte Drehmomentregelung - kurz DTC - für Anwendungen zu entwickeln, die ein dynamischeres Lastenprofil aufweisen. Mithilfe der Raumvektormodulation lassen sich einige NVH-Probleme (Noise Harshness Vibration) in den Griff bekommen, die mit einer DTC-Implementierung auftreten können. Perera: "Das Ergebnis ist ein hoch performanter Motor-Controller mit geschlossener Regelschleife, der eine geringere Rechenleistung als ein klassischer FOC-Ansatz benötigt. Damit können Kosten gesenkt und die Entwicklungszeit reduziert werden."

Folgt man Ken Berringer, Senior Staff Systems Engineer von Silicon Labs, setzt das Unternehmen zunächst einmal auf ein umfassendes Controller-Spektrum, mit dem die unterschiedlichsten Anforderungen abgedeckt werden können. Darüber hinaus versucht Silicon Labs natürlich auch immer, mit einer hohen Energieeffizienz zu punkten. In Richtung Motorsteuerungen erklärt Berringer, dass zum Beispiel viele Kunden die "EFM8 Busy Bee"- 8-Bit MCUs für sensorlose BLDC-Motoren nutzen würden, die häufig in ferngesteuerten Spielzeugen wie Flugzeuge, Hubschrauber und Autos eingesetzt sind. "Mithilfe von sehr schnellen Komparatoren für die Back-EMF-Reglung ist ein leistungsfähiger Betrieb möglich. Motorgeschwindigkeiten bis zu 60.000 U/min sind mit den EFM8-Busy-Bee-MCUs möglich. Diese Geschwindigkeiten lassen sich nicht mit komplexen Steuerungsalgorithmen wie FOC erreichen", so Berringer weiter. Daneben hat Silicon Labs auch eine Vielzahl energieeffizienter 32-Bit-EFM32-Controller im Portfolio, die mit speziellen Funktionen für die Motorsteuerung ausgestattet sind. Dazu zählen beispielsweise 3-Phasen-PWM-Module mit Totzeiteinfügung (DTI: Dead Time Injection) oder eine Quadraturdecoder-Schnittstelle. Im letzten Jahr hat Silicon Labs die EFM32-Happy-Gecko-Familie mit DTI auf den Markt gebracht, deren Mitglieder wiederum zum Teil in sehr kleinen Gehäusen untergebracht sind. So bietet Silicon Labs die Controller in diversen Packages an, einschließlich 48-Pin-QFP-, 32-Pin-QFN- und einem 3 x 3 mm großen 36-Ball-CSP-Gehäuse. "Für anspruchsvollere Motorsteuerungen steht die "EFM32 Wonder Gecko"-MCU-Familie zur Verfügung, die mit einem Cortex-M4-Prozessor mit DSP-Befehlen und einer Gleitkommaeinheit ausgestattet ist. Hinzu kommen noch eine dreikanalige PWM mit DTI und ein Quadratur-Interface. Diese Familie eignet sich auch für FOC-Algorithmen."