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Referenz-Board für Motorsteuerungen

Bürstenlose Motoren hochgenau steuern

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Elektronische Motorsteuerungen für bürstenlose Motoren bieten zahlreiche Vorteile – von hochexakten Steuerungsmöglichkeiten über ein besseres EMI-Verhalten bis hin zu deutlichen Energieeinsparungen. Die Umsetzung ist jedoch meist langwierig und erfordert beachtliches Knowhow. Schneller und einfacher geht es mit einer Referenz-Plattform wie FalconEye von EBV Elektronik.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Gemeinsam mit dem Team von Professor Krah an der FH Köln und Avago Technologies, Fairchild Semiconductor, Freescale Semiconductor und STMicroelectronics hat EBV Elektronik die Referenz-Plattform FalconEye entwickelt. Mit ihr lassen sich elektronische Steuerungen für bürstenlose Gleichstrommotoren einfach realisieren und die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen. Falcon-Eye basiert auf einem digitalen Signal-Controller und umfasst die gesamte Elektronik zum Ansteuern eines bürstenlosen Motors. Zum Lieferumfang gehören auch ein Schaltplan, Software-Demoprojekte sowie ein bürstenloser 300-V-Gleichstrommotor von dematek mit einem zweiten Wellenende für einen inkrementalen Drehgeber.

FalconEye lässt sich jedoch nicht nur im Rahmen des Entwicklungsprozesses einsetzen, sondern auch als Komplett-Board direkt in einer Anwendung. Bei anderen Boards von EBV Elektronik wie SnakeBytes, DragonFire und ChameleonARM haben Entwickler diese Möglichkeit bereits genutzt. Meist dürfte das FalconEye-Board allerdings in Prototypen enthalten sein, während für die Serien eine angepasste Variante zum Einsatz kommen wird.

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Die aktuelle Version von FalconEye ist für Standard-Netzspannungen konzipiert, lässt sich aber über Modifikation der Endstufe auch für andere Motorspannungen nutzen. Derzeit ist das Referenz-Board für die Ansteuerung bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) optimiert, kann aber für bürstenlose Wechselstrommotoren, geschaltete Reluktanzmotoren und Induktionsmotoren umgerüstet werden.

Aufgrund der Komplexität der Anwendung nutzt EBV Elektronik erstmals ein Board-on-Board-Konzept für die zentrale Recheneinheit. Derzeit handelt es sich dabei um das Demo-Board 56F8013 von Freescale mit einem digitalen 16-Bit-Mikrocontroller und integrierter DSP-Funktionalität, das direkt auf das FalconEye-Motherboard aufgesteckt ist. Diese Piggy-Back-Platine lässt sich einfach gegen ein anderes Steuerungs-Board austauschen, was FalconEye universell nutzbar macht die Ingenieure bei EBV jedenfalls arbeiten schon an weiteren Steuerungslösungen. Ebenfalls auf dem Board befinden sich analoge Bausteine von Avago Technologies zur potenzialgetrennten Strommessung. Zur Ansteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors wird das Smart-Power-Modul FSBB15CH60 von Fairchild Semiconductor verwendet. Als Rückkopplungselemente können Hall-Sensoren eingesetzt werden. Die Ansteuerung des Rückkopplungszweigs geschieht über einen Standard-Mikrocontroller-I/O. Mit nur wenigen zusätzlichen Bauelementen ist es darüber hinaus möglich, besonders genaue Encoder anzuschließen.

Das 56F8013-Board eignet sich zu Demo-Zwecken ebenso wie zur Entwicklung von Applikationen. So lassen sich über eine RS232-Schnittstelle, vom Anwender programmierbare LEDs und einige Taster bereits einige I/O-Funktionalitäten abdecken. Der Host-Rechners wird über die RS232-Schnittstelle angebunden, während beim Debugging ein JTAG-Pod für die Anbindung des JTAG-Ports an die Parallel-Schnittstelle eines PCs sorgt.

Flexible Tools zum Entwickeln, Simulieren und Debuggen

Mit der Tool-Suite für den 56F8013 lassen sich Echtzeit-Routinen entwickeln und simulieren sowie die Software in den Flash-Speicher des DSP-Mikrocontrollers laden und laufen lassen. Das Debugging läuft über den JTAG/EOnCE-Port (Enhanced-OnCE-Port), wobei sich sogar sehr komplexe Breakpoint-Bedingungen definieren lassen, die bei voller Ausführungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Mit den Tools können sämtliche für den Anwender zugängliche Register, Speicher und Peripherie-Elemente untersucht und modifiziert werden. Dank der galvanischen Trennung kann der Entwickler seine Algorithmen auch gefahrlos testen, wenn die Zielapplikation aus Kostengründen keine galvanische Trennung aufweist.

FalconEye bietet mehr als die reine Steuerungselektronik. EBV Elektronik hat aus seinem Produktspektrum die jeweils optimalen Komponenten für das Motorsteuerungs-Board ausgewählt, so z. B. das UL-zertifizierte Smart-Power-Modul FSBB15CH60 zur Ansteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors. Dieser komplette dreiphasige IGBT-Inverter mit integrierter Gate-Ansteuerung und Schutzbeschaltung ermöglicht die individuelle Überwachung der drei Phasenströme. Optional kann auch das ab Ende 2007 verfügbare Smart-Power-Modul FSAU15CH60 im Single Inline Package eingesetzt werden, das den direkten Anschluss von bürstenlosen Motoren ermöglichen wird, die mit einer Zwischenkreisspannung von 300 bis 400 V arbeiten.

Die aktive Korrektur des Leistungsfaktors (PFC: Power Factor Correction) übernimmt ein PFC-Chip NCP1653 von On Semiconductor. Diese CCM-PFC-Schaltung (Continous Conduction Mode) arbeitet nach dem Konstantspannungs-Verfahren mit festen Schaltfrequenzen von 67 oder 100 kHz. Ein Unter- und Überspannungsschutz, ein programmierbarer Überstromschutz und eine programmierbare Überlastbegrenzung sowie eine automatische Abschaltung mit Hysterese bei thermischer Überlastung sind im NCP1653 bereits integriert.

Als 600-V-Leistungsschalter für die PFC agiert der STW30NM60 von STMicroelectronics mit einem RDS(on) ≤ 0,145 Ω bei 30 A Belastbarkeit. Der MOSFET STW30NM60D enthält eine schnelle Diode mit kurzer Sperr-Erholzeit. Als PFC-Diode dient die STTH3006D, die eine Sperr-Erholzeit von 400 ns aufweist und ebenfalls mit 600 V / 30 A spezifiziert ist.

Auf dem Board befindet sich auch ein Schaltnetzteil, bei dem das FSQ321 von Fairchild die Versorgungsspannungen für die Logik zur Verfügung stellt. Aus 300 V Eingangsspannung werden galvanisch getrennte 15 V am Ausgang generiert. Von STMicroelectronics kommt die Bootstrap-Schaltung. Es ist keine separate Gate-Spannungsversorgung nötig, da die vorhandene 15-V-Versorgung ausreicht.

Für die galvanische Trennung der Gatesignale zwischen der Steuerungselektronik von der mit der Netzsspannung verbundenen Leistungselektronik sorgen sechs Optokoppler ACPL-4800 von Avago Technologies. Die galvanische Trennung der I/Os von der Lastseite übernehmen die digitalen Optokoppler HCPL-050L. Über zwei Isolationsverstärker HCPL-788J mit integrierter Kurzschluss- und Überlast-Erkennung kann der Motorstrom der drei Phasen potenzialfrei gemessen werden.

Neben Controller, Strommessung und Endstufe mit PFC enthält FalconEye auch eine kleine Bremsschaltung, mit der die kinetische Energie eines Motors, die nicht mehr im Zwischenkreis-Kondensator gespeichert werden kann, in Wärme umgewandelt wird. Ein Fairchild IGBT SGH 15N60 mit dem Gate-Treiber ACPL-3130 von Avago Technologies und einem Bremswiderstand sorgt dafür, dass die Zwischenkreisspannung nicht unzulässig hoch werden kann. Damit ist auch dynamisches Bremsen möglich. Dies ist in Positionierantrieben notwendig, die an einer bestimmten Position stehen bleiben müssen. Derzeit ist die Energie-Rückspeisung im Kleinleistungsbereich nicht üblich, so dass die im Zwischenkreis gespeicherte Energie in der Regel über den integrierten Leistungswiderstand in Wärme umgesetzt wird.

Ergänzend zu FalconEye ist die Broschüre „Systemlösungen für bürstenlose Motoren“ erhältlich, in der auf 64 Seiten Ansteuerungen von Avago, Fairchild, Freescale, Infineon, NXP, STMicroelectronics, Texas Instruments und Toshiba beschrieben werden.

Die Referenzplattform FalconEye kostet inklusive Dokumentation, Software und einem bürstenlosen Gleichstrommotor 399 €. Zusätzliche Informationen über FalconEye und den Zugang zur Verlosung eines FalconEye-Boards gibt es über den unten stehenden Link.

Referenz-Plattformen für jede Applikation

EBV Elektronik bietet mittlerweile vier Referenz-Plattformen für verschiedene Anwendungsbereiche: DragonFire spielt seine großen Stärken vor allem bei den Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine aus,

SnakeBytes ist für die echte Highend-Verarbeitung von Daten im Embedded-Bereich ausgelegt,

ChameleonARM bietet vielfältige Möglichkeiten zur Realisierung von Schnittstellen,

FalconEye ist für die Entwicklung von Ansteuerungen bürstenloser Motoren konzipiert.

Es handelt sich nicht um einfache Demo-Versionen, sondern jeweils um komplette praxistaugliche Referenz-Plattformen, die auch den kommerziellen Einsatz nicht scheuen müssen und sowohl die Hardware als auch die Software umfassen.

Referenzdesigns als Dienst am Kunden

Rudy Van Parijs, Vice President Technical Development bei EBV Elektronik: „Mit unseren Referenzdesigns verlassen wir den reinen Bauelementeverkauf und offerieren ein konkretes Anwendungsbeispiel, in dem die Komponenten unserer Franchise-Partner zu einer optimalen Lösung kombiniert werden. Nach ‚DragonFire’, ‚SnakeBytes’ und ‚ChameleonARM’ kommt jetzt ‚FalconEye’ innerhalb von 12 Monaten als unser viertes Referenzdesign auf den Markt und wir arbeiten bereits an den nächsten Boards. Damit bieten wir unseren Kunden Zugriff auf neueste Technologien, die sie entweder eins zu eins umsetzen oder mit kleinen Modifikationen an ihre Bedürfnisse anpassen können. So reduzieren wir die Kosten und den Entwicklungsaufwand unserer Kunden und verkürzen ihre Time-to-Market. Wir bieten die Referenz-Plattformen preisgünstig an, weil wir die Entwicklungsunterstützung als Dienst am Kunden verstehen.“

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