Geräte mit großer Bandlücke verbessern das Design der Motorsteuerung

Motorsteuerungssysteme bestehen aus Software- und Hardwarekomponenten, einschließlich IGBTs, WBG-Halbleitern und MCUs, die immer komplexer werden.

Die Motorsteuerung spielt eine wichtige strategische Rolle in der technologischen Entwicklung von Industrie 4.0. Ein zentrales Anliegen der industriellen Entwicklung ist der Energieverbrauch. Der Stromverbrauch steigt erheblich, teilweise aufgrund des Strombedarfs von industriellen Elektromotoren. Aufgrund dieser wachsenden Anforderungen steht die Suche nach effizienten Lösungen im Bereich der Motorsteuerung für Entwickler und Komponentenhersteller gleichermaßen im Vordergrund.

Zusammen mit dem Energieverbrauch steigt die Komplexität des Designs aufgrund der strengen Steuerungsanforderungen, die viele elektronische Technologien beinhalten, die einen erheblichen Aufwand erfordern. Ein Beispiel ist die Verwendung von Wide-Bandgap-(WBG-)Materialien.

Aus funktionaler Sicht besteht die Motorsteuerung aus mehreren Ebenen. Beispielsweise erfordert die Bewegungssteuerung die Ausführung sehr ausgeklügelter und rechenintensiver Steuerungsalgorithmen. Die Motorsteuerung deckt ein breites Anwendungsspektrum ab, von der einfachen Steuerung von Lüftern und Pumpen bis hin zu komplexeren Problemen der industriellen Steuerung, einschließlich Robotik und Servomechanismen. Hier werfen wir einen Blick auf die Schlüsselkomponenten einer Motorsteuerung.

Motoren und Treiber

Gleichstrommotoren sind die gebräuchlichsten, da sie billiger sind und aus einem Stator (fester Teil) – also dem Permanentmagneten – und einem beweglichen Teil (dem Rotor) bestehen, der die Wicklung beherbergt, die mit dem Kommutator verbunden ist, der den Strom liefert. Die Drehzahlregelung des Motors erfolgt durch Regelung des Gleichstroms. Zu diesem Zweck und je nach Art der Anwendung werden Vollbrücken-, Halbbrücken- oder Abwärtswandler zum Antrieb des Gleichstrommotors verwendet.

Ein Wechselstrommotor besteht im Wesentlichen aus einem Transformator, dessen Primärteil an die Wechselspannung angeschlossen ist und dem Sekundärteil, der den induzierten Sekundärstrom leitet. Eine mikroprozessorbasierte Elektronik, ein Wechselrichter und eine Signalaufbereitung werden verwendet, um die Drehzahl dieses Motors zu steuern.

Der Controller ist ein elektronisches Gerät, das als „Gehirn“ in einem Steuerungssystem fungiert. Die Anzahl der verwendeten Controller variiert je nach Anzahl der einzelnen Prozesse, die gesteuert werden müssen. Für ein komplexes System kann es zahlreiche Controller geben. Jeder dieser Controller kann Befehle an die Motoren senden und gleichzeitig Anweisungen von den Aktoren selbst empfangen.

In industriellen Anwendungen eingesetzte Robotersysteme verwenden hauptsächlich Drehstrommotoren, die mit Wechselspannung (AC) betrieben werden. Als Beispiel, Abb. 1 zeigt das Blockschaltbild einer elektronischen Steuerschaltung, in der ein dedizierter Mikrocontroller (MCU) ein PWM-Signal erzeugt. Als Alternative zur MCU sind DSP- oder FPGA-Lösungen besser geeignet, um komplexe digitale Filteralgorithmen zu implementieren.

Abbildung 1:Blockschaltbild einer wechselstrombetriebenen Drehstrom-Induktionsmotorsteuerung (Quelle:Texas Instruments)

Ein Steuerungsbeispiel für DC-Motoren sind Trinamics Slot-Module TMCM-1637 5-A RMS und TMCM-1638 7-A RMS mit zwei feldorientierten Steuerungen/Treibern, die Hall- und ABN-Encoder-Funktionalität für feldorientierte Steuerung (oder Kontrolle). Diese Module unterstützen einphasige Gleichstrommotoren, zweiphasige bipolare Schrittmotoren und dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) (Abb. 2 ).

IGBTs

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verkörpern eine echte Innovation in der elektronischen Leistungssteuerung. Bei Schaltlösungen liegt die Innovation in der hohen Schalthäufigkeit. IGBTs stellen die Grundfunktionalität von elektrischen Leistungssteuerungsgeräten dar, die sich gut zur Lösung komplexer Motorsteuerungsprobleme eignen.

Neueste Lösungen haben ein hervorragendes Verhältnis zwischen Schaltgeschwindigkeit und Stabilität des Verhaltens unter besonders extremen Einsatzbedingungen entwickelt, wie beispielsweise im Automobilbereich bei der Implementierung von Wechselrichtern zum Antrieb von Elektromotoren. Ein Beispiel ist die 1200-V-IGBT-S-Serie von STMicroelectronics. Diese IGBTs sind für den Einsatz bei niedrigen Frequenzen (bis 8 kHz) optimiert und zeichnen sich durch eine niedrige V _ce(sat) . aus . Die 1.200-V-IGBT-S-Serie basiert auf der Trench-Gate-Field-Stop-Technologie der dritten Generation.

GaN und SiC

WBG-Materialien, Galliumnitrid und Siliziumkarbid, halten jedoch Einzug in Motorsteuerungsanwendungen als Ersatz für siliziumbasierte Geräte. In der Leistungselektronik sind die Hauptvorteile der WBG-Materialien geringere Verlustleistung, höherer Wirkungsgrad, höhere Schaltfrequenzen, kompaktere Abmessungen, höhere Betriebstemperatur (weit über die von Silizium erreichbare Obergrenze von 150°C), höhere Zuverlässigkeit unter schwierigen Betriebsbedingungen , und hohe Durchbruchspannungen.

Beispielsweise führt die höhere Elektronenbeweglichkeit eines GaN-Hochelektronenmobilitäts-Transistors (HEMT) zu einer höheren Schaltgeschwindigkeit, da die Ladungen, die sich normalerweise in den Verbindungsstellen ansammeln, schneller verteilt werden können. Die schnelleren Anstiegszeiten und der niedrigere Durchlasswiderstand von Drain zu Source (R _DS(on) )-Werte und die mit GaN erreichbare reduzierte Gate- und Ausgangskapazität tragen alle zu seinen geringen Schaltverlusten und seiner Fähigkeit bei, bei Schaltfrequenzen zu arbeiten, die bis zu 10x höher sind als die von Silizium.

Die Reduzierung der Verlustleistung bringt zusätzliche Vorteile wie eine effizientere Stromverteilung, weniger Wärmeableitung und einfachere Kühlsysteme. Viele Motorsteuerungsanwendungen erfordern einen Lüfter, der eine Zwangsluftkühlung bereitstellt, um innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen des Geräts zu arbeiten. Durch die Verwendung von GaN kann die Verlustleistung reduziert und ein „lüfterloser“ Betrieb ermöglicht werden, was besonders bei Anwendungen mit geringem Gewicht wie elektronischen Drohnen wichtig ist.

In industriellen Leistungsanwendungen können Elektronikdesigner auch durch den Einsatz von SiC-MOSFETs Vorteile erzielen, die erhebliche Effizienzverbesserungen, kleinere Kühlkörpergrößen und niedrigere Kosten als herkömmliche Si-basierte Lösungen wie IGBTs bieten. Die SiC-Technologie erreicht einen sehr niedrigen R _DS(on) pro Flächeneinheit, hohe Schaltfrequenzen und vernachlässigbare Energieverluste während der Reverse-Recovery-Phase, die nach dem Abschalten der Body-Diode auftritt.

Der Einsatz von SiC-Bauelementen in Motorsteuerungs- und Leistungssteuerungsanwendungen ist dank Funktionen wie Energieeinsparung, Größenreduzierung, höhere Integration und Zuverlässigkeit ein echter Durchbruch. Diese Eigenschaften machen sie für hochzuverlässige Sektoren wie die Automobil- und industrielle Automatisierungssteuerung gut geeignet.

Bei Industrieantrieben ist besonders auf die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten der Kommutierung zu achten. Tatsächlich können SiC-MOSFETs dV/dt viel höhere Werte erreichen als IGBTs. Wenn sie nicht richtig behandelt wird, erhöht dV/dt mit hoher Kommutierung die Spannungsspitzen über lange Motorkabel und kann parasitäre Gleich- und Gegentaktströme erzeugen, die im Laufe der Zeit zu Fehlern in der Wicklungsisolierung und den Motorlagern führen. Obwohl ein schnelleres Ein-/Ausschalten die Effizienz verbessert, wird das typische dV/dt in Industrieantrieben aus Zuverlässigkeitsgründen oft auf 5 bis 10 V/ns eingestellt.

Ein von STMicroelectronics durchgeführter Vergleich mit zwei ähnlichen 1,2-kV-Leistungstransistoren – einem SiC-MOSFET und einem Si-basierten IGBT – hat bewiesen, dass das SiC-MOSFET-Bauelement im Vergleich zu des Si-IGBT, auch unter den gestellten Bedingungen von 5 V/ns (Abb. 3 ).

Abbildung 3:Zweistufiger, dreiphasiger Inverter-basierter Antrieb (Quelle:STMicroelectronics)

Der Einsatz von SiC-Bauelementen in Motorsteuerungs- und elektrischen Leistungssteuerungsanwendungen im Allgemeinen ist dank Funktionen wie Energieeinsparungen, Größenreduzierung, Integrationsmöglichkeiten und Zuverlässigkeit ein echter Durchbruch. Unter anderem ist es nun möglich, die optimale Schaltfrequenz im Umrichterkreis für den angeschlossenen Motor zu nutzen, was zu wichtigen Vorteilen bei der Motorauslegung führt.

So ermöglichen beispielsweise die SiC-basierten CoolSiC-MOSFETs von Infineon Technologies mit .XT-Verbindungstechnologie in einem 1.200-V-optimierten D²PAK-7-SMD-Gehäuse eine passive Kühlung in leistungsdichtekritischen Motorantriebssegmenten wie Servoantrieben und unterstützen so die Robotik- und Automatisierungsindustrie bei der Realisierung wartungsfreier und lüfterloser Motorumrichter (Abb. 4 ).

In der Automatisierung ermöglichen lüfterlose Lösungen neue Gestaltungsmöglichkeiten, getrieben durch die Einsparung von Kosten und Aufwand bei Wartung und Material. Die CoolSiC-Trench-MOSFET-Chiplösung von Infineon mit .XT-Verbindungstechnologie bietet attraktive thermische Eigenschaften bei kleinem Formfaktor und eignet sich damit beispielsweise gut für die Antriebsintegration in einem Roboterarm. Die CoolSiC MOSFET SMD-Bauelemente haben eine Kurzschlussfestigkeit von 3 µs und sind von 30 mΩ bis 350 mΩ ausgelegt. Dies entspricht den Anforderungen von Servomotoren.

Abbildung 4:Reduzierung der Leitungsverluste in allen Betriebsarten (Quelle:Infineon Technologies)

Mikrocontroller

Motorsteuerungslösungen bestehen aus Hardware- und Softwarekomponenten. Die Hardwarekomponente sind elektronische Steuergeräte wie IGBTs, SiC- und GaN-MOSFETs, Leistungsdioden etc., während die Softwarekomponente die immer komplexer und anspruchsvoller werdende Ansteuerung der Hardware übernimmt. Die Verfügbarkeit von Computerarchitekturen, die für die Steuerung und Verwaltung von Leistungsgeräten optimiert sind, ermöglicht es Entwicklern, eine Leistung zu erzielen, die sonst im Steuerungsbereich nicht möglich wäre.

Einige Beispiele stammen von NXP Semiconductors und Renesas Electronics. Die MPC57xx-Familie von 32-Bit-Prozessoren von NXP basiert auf der Power Architecture-Technologie für Automobil- und Industrieantriebsanwendungen sowie andere Möglichkeiten der Automobilsteuerung und des Funktionsmanagements. Die Prozessoren bieten AEC-Q100-Qualität, On-Chip-Sicherheitsverschlüsselung für Manipulationsschutz und Unterstützung der funktionalen Sicherheit ASIL-D und SIL-1 (ISO 26262/ IEC 61508). Sie bieten Ethernet (FEC), Dual-Channel-FlexRay und bis zu 6 SCI/8 DSPI/2 I ² C für verschiedene Kommunikationsprotokolle.

Renesas bietet die 32-Bit-MCUs RA6T1 auf Basis des ARM-Cortex-M4-Kerns für den Betrieb bei 120 MHz mit einer Reihe von Peripheriegeräten an, die für hohe Leistung und präzise Motorsteuerung optimiert sind. Eine einzelne RA6T1-MCU kann gleichzeitig bis zu zwei BLDC-Motoren steuern. Darüber hinaus erweitert das Google TensorFlow Lite Micro-Framework für TinyML-Anwendungen die RA6T1-MCUs um eine verbesserte Fehlererkennung und bietet Kunden ein intelligentes, benutzerfreundliches und kostengünstiges sensorloses Motorsystem für die vorausschauende Wartung.

Die Motoranforderungen variieren je nach Anwendung, die möglicherweise für einen bestimmten Anwendungsfall optimiert und fein abgestimmt werden muss. Der Markt bietet verschiedene Lösungen in Bezug auf IGBTs, WBG-Halbleiter und MCUs, um diese Anforderungen zu erfüllen. Es muss jedoch neue Hardware entwickelt werden, die kritische Echtzeitaufgaben vom Prozessor entlastet und gleichzeitig mehr Diagnose, vorausschauende Wartung und KI sowie funktionale Sicherheitssysteme ermöglicht.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power Electronics News veröffentlicht.

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