Motorsteuerungs-SoC fügt MCU-Kern hinzu, um die Designflexibilität zu erhöhen

Die Effizienz der Energieumwandlung spielt seit jeher eine wichtige Rolle im Elektronikdesign, und im Fall von Elektromotoren erfolgt die Umwandlung zweimal:zuerst um den Strom zu erzeugen, der zur Steuerung des Motors benötigt wird, und dann um Strom in eine treibende Kraft umzuwandeln. Die Beseitigung der von Motoren erzeugten Geräusche ist eines der häufigsten Probleme, mit denen Elektronikentwickler bei dieser Art von Anwendung konfrontiert sind.

Hersteller neigen zunehmend dazu, die eigentliche Motorsteuerung als grundlegenden Funktionsblock zu betrachten und nicht als Diversifizierungsmerkmal des Endprodukts; Dies wird besonders deutlich, wenn man Hilfssysteme wie Entwässerungspumpen oder Ventilatoren betrachtet, die normalerweise in Haushaltsgeräten zu finden sind. Infineon Technologies bietet nicht nur ein breites Portfolio an diskreten Komponenten, sondern auch integrierte Lösungen, die Wechselrichteranwendungen vereinfachen und die F&E-Kosten und die Stückliste (BOM) für die Gesamtzahl der verwendeten Komponenten minimieren.

Der neue IMC300 beispielsweise kombiniert den iMOTION Motion Control Engine (MCE)-Motor mit einem zusätzlichen Mikrocontroller basierend auf dem Arm® Cortex®-M0-Kern. Das IMC300-Portfolio zielt auf Antriebe mit variabler Drehzahl ab, die eine hohe Anwendungsflexibilität erfordern.

CONTROLLER

Die Steuerung von Drehzahl und Drehrichtung eines Motors setzt die Funktionsweise des verwendeten Motors voraus und erfordert je nach Motortyp und den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen unterschiedliche Techniken und Schaltungen. Der Zweck eines Motorcontrollers besteht darin, manuell oder automatisch auf den Elektromotor einwirken zu können (Start-Stopp, Frühinvertierung, Drehzahl, Torsion und Schutz vor Spannungsüberlastung). Die Steuerung von Elektromotoren erfordert elektronische Schaltungen, die bis vor wenigen Jahren aufgrund der auftretenden Spannungen und Ströme aus diskreten Bauelementen hergestellt wurden. Die Motorsteuerung steht heute an der Spitze der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, um effiziente mikroelektronische Lösungen auf zwei Ebenen zu erreichen:der Computersoftware und der Leistungselektronik.

iMOTION-TECHNOLOGIE

iMOTION identifiziert eine Produktfamilie, die einen fertigen und zertifizierten Motorsteuerungsalgorithmus in die Hardware für den produktiven Einsatz integriert, mit optional erhältlicher Leistungsfaktorkorrektur (PFC). Bei leistungselektronischen Lösungen zur Motorsteuerung ist Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Zielanwendung des Kunden zu gewährleisten, die oft weit über die jeweilige Konfiguration des jeweiligen Motors hinausgeht (Bild 1 ).

Abbildung 1 : iMOTION treibt die Integration in die Motorsteuerung voran. (Bild:Infineon Technologies)

iMOTION ICs integrieren alle Steuerungs- und Analogschnittstellenfunktionen, die für die sensorfeldorientierte Steuerung (FOC) Motorsteuerung über DC-Shunt-Strommessungen oder DC-Anbindung erforderlich sind. Darüber hinaus verfügen sie über den patentierten Algorithmus von Infineon, der die Softwarecodierung aus dem Entwicklungsprozess des Motorsteuerungsalgorithmus eliminiert.

iMOTION-Lösungen passen in Hausgeräte und kleine Antriebe wie Lüfter. Die Lösungen kombinieren  Controller, SmartDrive und SmartIPM-Geräte.

Das SmartDrive-Gerät ist mit dem Gate-Treiber integriert (MOSFETs oder IGBTs können verwendet werden). Der höchste Integrationsgrad wird in der SmartIPM-Familie erreicht, die den MCE mit dem Gate-Treiber und einer dreiphasigen Vollbrücke kombiniert, was zu einem kompletten Wechselrichtersystem in einem kleinen PQFN-Paket führt.

Die ICs der iMOTION IMC300-Familie von Infineon zielen auf die Regelung von Motorsteuerungssystemen mit variabler Drehzahl ab und integrieren einen zusätzlichen, anwenderprogrammierbaren Mikrocontroller (Abbildung 2 ). Der Dual-Core-Controller integriert die erforderliche Hardware, Software und das Anwenderprogramm, um einen permanentmagneterregten Synchronmotor (PMSM) zu regeln. Es ermöglicht ein hochflexibles Motorsteuerungssystem zu niedrigsten System- und Entwicklungskosten.

Abbildung 2 : iMOTION Motion Control Engine plus ARM Cortex-M0-Diagramm und -Funktionen (Bild:Infineon Technologies)

Zu den Schutzfunktionen des IMC300 gehören Unter-/Überspannung, Überstrom, Übertemperatur, Motor-Gate-Kill, Rotorblockierung, Fehlerberichterstattung, minimale Totzeit und Durchschuss. Zu den Kontrollfunktionen gehören s inusoidales FOC, sensorisch/sensorlos, Drei- oder Zweiphasenmodulation, Feldschwächung, Nullvektorbremsung, integrierter PFC und integrierter Bootstrap.

Der IMC300 und sein Vorgänger, der IMC100, teilen die gleiche Implementierung von MCE 2.0 und bieten eine gebrauchsfertige Lösung mit PFC-Steuerung, mehreren Schutzfunktionen und einer Skript-Engine.

Durch den Einsatz von MCE für die Motorsteuerung können sich Kunden auf die Systemanwendung konzentrieren, die völlig unabhängig vom eingebauten ARM-Mikrocontroller arbeitet. Diese MCU bietet einen flexiblen Satz von Peripheriegeräten und kann einer Vielzahl von Zwecken dienen, wie z. B. Systemfunktionen, spezifische Kommunikation oder Antriebsüberwachung (Abbildung 3 ).

Abbildung 3 : IMC300-Schaltungsanwendung (Bild:Infineon Technologies)

„Der Grundgedanke dahinter, dem Kunden das Drehen des Motors zu erleichtern´, sagt Ingo Skuras, Product Marketing Manager für iMOTION bei Infineon Technologies. „Wir sehen seit einigen Jahren einen Trend zur elektronischen Steuerung der meisten Motoren – nicht nur ein- oder ausschalten, sondern so genannte drehzahlgeregelte Antriebe. Und dafür haben wir Lösungen, die der Kunde im Grunde ohne Programmierung nutzen kann:Einfach auf die jeweiligen Motoranwendungen konfigurieren und dann läuft es. Normalerweise dauert es eine halbe bis eine Stunde, um dies zu erreichen.“

Das MCE integriert alle notwendigen Hard- und Softwarekomponenten sowie alle notwendigen Schutzfunktionen, was zu einer reduzierten Stückliste führt. Es wird ständig verbessert; normalerweise werden zwei Versionen pro Jahr veröffentlicht.

Ein Motorsteuerungsalgorithmus, der mehr Intelligenz an Peripheriegeräte wie A/D-Wandler oder Timer überträgt, entlastet den CPU-Kern. Bei Lösungen mit kleinen Controllern, die moderne 32-Bit-Architekturen integrieren, wird diese freigewordene CPU-Kapazität dem Anwendungsdesigner zur Verfügung gestellt.

Die iMOTION-Steuerungen implementieren einen für den Einsatz in Produktionsumgebungen geeigneten Algorithmus, der auch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit von Hausgeräten unterstützt, und ermöglicht Designs, die den erforderlichen Standards in diesen Märkten entsprechen.

Die IMC300-Geräte sind vorzertifiziert für Anwendungen, die funktionale Sicherheit gemäß UL/IEC 60730 (Class B) erfordern.