Motoransteuerung Mikrocontroller kann bis zu vier Dreiphasenmotoren steuern

Die 16-Bit-Mikrocontroller der XE166-Serie erlauben optimierte Lösungen in Motorsteuerungen für beispielsweise Pumpen, Lüfter, Kompressoren, Servoantriebe, CNC-Maschinen und Roboter. Und mit CCU6-Modulen kann die XE166-Familie gleichzeitig bis zu vier Dreiphasenmotoren steuern.

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

FAULHABER Antriebssysteme

PEAK-System Technik GmbH

Infineon Technologies AG

Der schnell wachsende Bereich der Embedded-Control-Anwendungen stellt eine der anspruchsvollsten Umgebungen für den Einsatz moderner Mikrocontroller dar. werden. Embedded-Control-Anwendungen sind häufig kritisch in Bezug auf den Platz auf der Platine, die Leistungsaufnahme und die Gesamtkosten des Systems. Daher werden Mikrocontroller benötigt, die außer einer ausreichenden CPU- und DSP-Performance auch ein hohes Maß an Systemintegration bieten, sodass auf weitere Peripherie-Bauelemente verzichtet werden kann und Systemsicherheitsmechanismen sowie Leistungsmerkmale bereitgestellt werden, um die Leistungsaufnahme des Systems zu senken.

Die 16-Bit-Mikrocontroller der XE166-Familie liefern optimierte Lösungen für die unterschiedlichsten industriellen Einsatzgebiete, denn sie vereinen in sich vielseitige Rechenleistung (bis zu 80 MIPS) und integrierte DSP-Funktionalität mit hochentwickelten, flexiblen Peripherie-Modulen. Auf diese Weise wird eine breite Palette von Anwendungen unterstützt, beispielsweise Motorsteuerungen (Pumpen, Lüfter, Kompressoren, Servoantriebe, CNC-Maschinen, Roboter, Prozesssteuerung usw.), erneuerbare Energien (Windkraftanlagen, Photovoltaik, Brennstoffzellen, Batteriespeicher, Wasserkraftgeneratoren usw.), Stromversorgung (USV, allgemeine Stromversorgungen, Batterieladegeräte, Lampenvorschaltgeräte usw.) oder Transportwesen (Lokomotiven, Züge, U-Bahnen, Busse, LKWs, Gabelstapler, Ampeln etc.).

Den sicheren Betrieb von Anwendungen verbessern

Die XE166-Real-Time-Signal-Controller (RTSC) kombinieren die erweiterte Funktionalität und Performance des C166SV2-Kerns mit leistungsstarken, auf dem Chip integrierten Peripherie-Subsystemen und Speichermodulen (bis 768 KByte Flash). Darüber hinaus besitzen die 16-Bit-Mikrocontroller verschiedene energiesparende Leistungsmerkmale und Sicherheits-/Störfestigkeitsfunktionen für besonders sicherheitskritische Anwendungen. Um den sicheren Betrieb von Anwendungen noch weiter zu verbessern, hat Infineon zudem eine wirkungsvolle Error-Correction-Coding-Technologie (ECC) implementiert, die Einzelbitfehler findet und korrigiert und Doppelbitfehler erkennt.

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale gegenüber anderen Mikrocontrollern sind die optimierte Motorsteuerung (bis zu vier PWM-Einheiten und zwei synchronisierte A/D-Wandler), flexible Stromversorgung (3- bis 5,5-V-E/A in zwei Domains), flexible Kommunikation und Zusammenschaltung (USIC und MultiCAN) sowie der sichere Betrieb (Flash-Fehlerkorrektur mit ECC, Watchdog, integrierter Oszillator). Intelligente On-Chip-Peripherie-Subsysteme ermöglichen leistungsstarke und sichere System-Designs und senken gleichzeitig die Kosten (BOM).

XE166-Serie hat Peripherie-Module integriert

Die integrierten Peripherie-Module der XE166-Derivate beinhalten zwei synchronisierbare A/D-Wandler mit programmierbarer Auflösung, eine Capture/Compare-Einheit mit 16 Kanälen und zwei voneinander unabhängigen Timern, bis zu vier Capture/Compare-Einheiten (CCU6) für flexible PWM-Signalerzeugung, zwei multifunktionale Universal-Timereinheiten (GPT1 und GPT2), bis zu sechs USICs (Universal Serial Interface Channels), Controller Area Network (MultiCAN, bis zu 5 CAN-Knoten) mit CANopen-Unterstützung, Echtzeit-Takt mit Alarm-Interrupt, Watchdog-Timer mit programmierbaren Zeitintervallen und schließlich On-Chip-Oszillator.

Die XE166-Mikrocontrollerfamilie trennt klar Peripherie und Core. Aufgrund dieser Struktur kann eine maximale Anzahl von Operationen parallel ausgeführt werden und die Belastung der CPU wird verringert. Jeder Funktionsblock verarbeitet Daten völlig unabhängig und leitet Informationen über gemeinsame Busse weiter. Diese integrierten Peripherie-Bauelemente erlauben entweder der CPU mit der externen Umgebung zu kommunizieren oder Funktionen auf dem Chip bereitzustellen, die ansonsten separat in das betreffende System eingebaut werden müssten.

Capture/Compare-Einheiten für Motorsteuerungs-Designs

Die CCU6 ist eine hochauflösende 16-Bit-Capture/Compare-Einheit mit anwendungsspezifischen Modi hauptsächlich für Wechselstrom-Motorsteuerung oder Inverter. Spezielle Betriebsmodi ermöglichen die Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren mithilfe von Hall-Sensoren oder Back-EMF-Erkennung. Außerdem unterstützt die Einheit Eingänge zum synchronen Starten mehrerer Timer, eine wichtige Funktion für Bauelemente mit mehreren CCU6-Modulen. Die CCU6-Einheit (in den XE166 können bis zu vier integriert sein) besteht aus einem T12-Timerblock mit drei Capture/Compare-Kanälen und einem T13-Timerblock mit einem Compare-Kanal. Die T12-Kanäle können unabhängig voneinander PWM-Signale generieren oder Capture-Trigger akzeptieren bzw. gemeinsam Steuersignalmuster erzeugen, um Wechselstrommotoren oder Inverter anzusteuern. Mit bis zu vier CCU6-Modulen kann die XE166-Familie gleichzeitig maximal vier Dreiphasenmotoren steuern.

Die beiden hochpräzisen A/D-Wandler, die eng mit den CCU6-PWM-Einheiten gekoppelt sind, können dafür eingesetzt werden, Highend-Motoren in Closed-Loop-Algorithmen zu steuern, etwa feldorientierte Regelung (Field Oriented Control, FOC). Closed-Loop-Algorithmen erfordern Rückmeldungen vom Motor, beispielsweise Phasenströme. Diese Phasenstromwerte müssen in definierten Zuständen der PWM-Signalerzeugung gemessen werden. Die drei Timer-12-Kanäle können bis zu sechs PWM-Signale erzeugen. Damit lassen sich bis zu drei Leistungshalbbrücken mit automatischer Totzeit-Generation ansteuern. Zusammen mit dem Timer 13 ist es so möglich, einen Hardware-Trigger für die A/D-Wandler bei definierten PWM-Schaltzuständen zu erzeugen.

Flexible Schnittstellen und geringere CPU-Belastung

Der Universal Serial Interface Channel (USIC) ist ein flexibles Schnittstellenmodul, das Protokolle wie ASC, SSC, LIN, IIC und IIS unterstützt. Das USIC-Modul verfügt über zwei voneinander unabhängige Kommunikationskanäle, die jeweils für eines der unterstützten Protokolle konfiguriert werden können. Früher waren Kunden gezwungen, bestimmte reservierte Pins zu verwenden, um die dedizierten E/A-Anschlüsse zu realisieren. Mit dem USIC lassen sich die Eingangs-/Ausgangssignale jedes Kanals einzeln an mehrere Nummern von Port-Pins schalten, was für mehr Flexibilität des Designs sorgt.

Mit bis zu drei USIC-Modulen kann der XE166 sechs E/A-Schnittstellen auf dem Chip unterstützen. Jeder Kanal ist separat mit programmierbarer Baudrate konfigurierbar und kann außerdem FIFO-Puffer für Sende- und Empfangspfad beinhalten.

Eine Vielzahl von Protokollen wird unterstützt

Alle konfigurierten Protokolle können in Laufzeit ausgewählt oder gewechselt werden, ohne dass ein Neustart auszuführen ist. Folgende Protokolle werden unterstützt: UART (ASC, Asynchronous Serial Channel, 1,2 kBaud bis 3,5 MBaud), LIN-Unterstützung per Hardware (kostengünstiges Netzwerk, bis zu 20 kBaud), SSC/SPI (Synchronous Serial Channel, 2 kBaud bis 10 MBaud), IIC (Inter-IC-Bus, 100 kBaud bis 400 kBaud), IIS (Infotainment Audio-Bus, bis zu 26 MBaud).

Zusätzlich zu der flexiblen Auswahl des Kommunikationsprotokolls ist die USIC-Struktur dafür ausgelegt, die Systembelastung (CPU-Belastung) zu verringern, was eine sehr effektive Datenverarbeitung ermöglicht (Vollduplex-Datenübertragungen werden unterstützt). Jeder USIC-Kanal enthält einen eigenen Baudratengenerator. Die Baudratenerzeugung kann entweder auf dem internen Systemtakt oder auf einem externen Frequenzeingang basieren. Diese Struktur erlaubt Datenübertragungen mit einer Frequenz, die intern nicht erzeugt werden kann, beispielsweise um mehrere Kommunikationspartner miteinander zu synchronisieren. Zusammen mit der sehr flexiblen Signalzuweisung zu Port-Pins bildet der USIC die ideale Kommunikationsschnittstelle für die Ansprüche der unterschiedlichsten Anwendungen.

Zwei synchronisierbare 10-Bit-Analog/Digital-Wandler

Für analoge Signalmessungen wurden auf dem Chip zwei sehr schnelle, synchronisierbare 10-Bit-A/D-Wandler (ADC0, ADC1) mit insgesamt 24 (16 + 8) gemultiplexten Eingangskanälen integriert, die eine Sample-and-Hold-Schaltung einschließen. Sie arbeiten nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation und erreichen bei einem Systemtakt von 80 MHz eine Wandlungszeit von 0,675 µs. Die Abtastzeit (zum Laden der Kondensatoren) und die Wandlungszeit sind programmierbar und lassen sich der externen Schaltung anpassen. Die A/D-Wandler können darüber hinaus im 8-Bit-Wandlungsmodus arbeiten, in dem die Wandlungszeit noch einmal verkürzt wird.

Limit Checking reduziert die Interrupt-Last

Mehrere unabhängige Wandlungsergebnis-Register, wählbare Interrupt-Requests und hochflexible Wandlungssequenzen ergeben ein derart hohes Maß an Programmierbarkeit, dass alle Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt werden. Beide Module können synchronisiert werden, um eine parallele Abtastung von zwei Eingangskanälen zu ermöglichen. Für Anwendungen, die eine größere Anzahl analoger Eingangskanäle erfordern, ist es möglich, externe analoge Multiplexer automatisch zu steuern. Bei Anwendungen, die mit weniger analogen Eingangskanälen auskommen, sind die nicht belegten Kanaleingänge als digitale Eingangs-Port-Pins nutzbar.

Datenreduzierungsfunktionen, beispielsweise Limit/Boundary Checking oder Ergebnisakkumulation, verringern die Anzahl notwendiger CPU-Zugriffe und erlauben damit die exakte Beurteilung der analogen Eingänge (hohe Wandlungsrate) selbst bei geringer CPU-Geschwindigkeit. Limit Checking reduziert die Interrupt-Last (beispielsweise für Temperaturmessungen oder Überlasterkennung), da nur Werte außerhalb der programmierbaren Grenzwerte eine Unterbrechung der Anwendungssoftware bewirken.

Zwei Versorgungsspannungen sind möglich

Neu ist die flexible E/A-Spannung von 3 bis 5,5 V. Damit git es die Möglichkeit, zwei verschiedene Domains zu definieren (5 V für analoge Präzisions- und 3,3 V für Standard-Peripherie-ICs). Die Core-Stromversorgung arbeitet mit 1,5 V. Eine geregelte Spannung für den Core wird mithilfe eines Embedded Voltage Regulators aus der E/A-Eingangsspannung direkt auf dem Chip erzeugt, ein separater Spannungsregler wird nicht benötigt. Die Vorteile dieses Konzepts bestehen darin, dass die optimale Eingangsspannung für analoge Signale (Aufschalten von 5-V-Sensorsignalen auf die A/D-Wandler) ebenso wie für digitale Funktionen (digitale Logik, ASICs etc.) bereitgestellt wird. Bei den meisten Anwendungen sind dadurch Level-Shifter für die Signalwandlung zwischen den Spannungspegeln auf der Platine überflüssig.

Die E/A-Eingangsspannung wird durch einen Supply-Watchdog mit interner Einschalterkennung überwacht, sodass das Bauelement ohne externe Power-on-Reset-Schaltung gestartet werden kann. Für die Prüfung der vom Benutzer definierten Unter- und Überspannungspegel werden zwei voneinander unabhängig einstellbare Grenzwertebenen mittels Komparatoren verwendet. Insgesamt stehen 16 Grenzwerte zwischen 2,9 und 5,5 V zur Auswahl. Darüber hinaus gewährleistet der Supply-Watchdog, dass die Eingangsspannung für den internen EVR ausreicht, um unter allen Betriebsbedingungen eine zulässige Core-Spannung zu erzeugen. Die Überwachung der externen Spannung bietet die Möglichkeit zum Einsatz eines kostengünstigen Reglers ohne zusätzliche Statussignale. Zusätzlich wird ein Kurzschlussschutz an den VDDI-Pins unterstützt.

Mehrere Taktquellen für einen sicheren Betrieb

Das Taktbereitstellungskonzept der XE166-Baureihe ist ausgesprochen flexibel, denn es umfasst mehrere Taktquellen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Takterzeugungseinheit basiert auf einer programmierbaren PLL auf dem Chip mit mehreren Vorteilern, um die Taktsignale für den XE166 mit großer Flexibilität erzeugen zu können. Der Systemtakt kann von mehreren internen und externen Quellen (beispielsweise einem Quarz) abgeleitet werden. Peripherie-Bauelemente können entweder vorübergehend von dem Taktsignal abgekoppelt werden, um Strom zu sparen, oder dauerhaft, wenn man die spezielle Anwendung nicht benötigt.

Die hochpräzise Oszillatorschaltung auf dem Chip (OSC-HP, 4 bis 25 MHz, hohe Genauigkeit von max. 0,5 mA) kann einen externen Quarz ansteuern oder akzeptiert ein externes Taktsignal. Eine andere Taktquelle ist der getrimmte stromgesteuerte On-Chip-Oszillator (OSC-LP, 5 MHz, Schnellstart). Auf diese Weise kann der Benutzer die jeweils passendste Taktversorgung wählen. Es steht immer ein entsprechender Takt zu Verfügung, um eine stabilen Betrieb zu sichern. Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Taktbereitstellungsmodi erfolgt in der Software. Durch eine interne Notfall-Taktquelle ist ein Taktsignal unter allen Umständen gewährleistet (ohne dass eine externe Taktquelle benötigt wird). Der Oszillator-Watchdog (OWD) überwacht den Eingangstakt und aktiviert den Notfalltakt, wenn das Eingangstaktsignal nicht zuverlässig ist.

*Ronny Schulze ist Senior Engineer, Application Engineering, bei Infineon Technologies, München.

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