Analogtipp Controller und Prozessoren für moderne Motorantriebe

Aufbau und Architektur eines Motor-Controllers werden von seiner Hauptfunktion, der Regelung des Antriebs, beeinflusst. Alle anderen Funktionen sind ergänzende Features. Dieser Beitrag gibt einen Überblick zu den Möglichkeiten der digitalen Motorsteuerung.

Die Übersichtsdarstellung in Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines Servo-Antriebs. Die in einem Motorantrieb nötigen Regelkreise sind in Bild 2 dargestellt. Gelb unterlegt sind die Bereiche, die im Controller integriert ist. In einfacheren Motorantrieben sind nicht alle gezeigten Funktionsblöcke implementiert.

Im einfachsten Antrieb gibt es nicht einmal einen geschlossenen Regelkreis, sondern üblicherweise nur einen sehr einfachen Regel-Controller, wie in Bild 3 zu sehen ist. Dabei ist der Teil, der im Controller integriert ist, wieder markiert. In diesen sehr einfachen Systemen gibt es gar keine oder nur eine sehr eingeschränkte Rückkopplung und der Controller kann daher auch relativ einfach ausgeführt sein.

Bildergalerie

Das in Bild 2 dargestellte System wird für die nachfolgenden Ausführungen zugrunde gelegt. Es wird ebenfalls angenommen, dass die Regelkreise in einem Mikroprozessor oder FPGA implementiert sind. Eine analoge Regelung wird heute in Motorantrieben nicht mehr eingesetzt, von einigen sehr speziellen Anwendungen einmal abgesehen.

Eine der Hauptanforderungen an Controller für Antriebsregelalgorithmen ist, dass die digitalen Regelkreise Echtzeit-fähig sein müssen. Ist die Aktualisierungsrate des Regelkreises beispielsweise 10 kHz, muss der Regelalgorithmus auch immer innerhalb dieses 10-kHz-Zeitfensters implementiert werden. Den Aufgaben des Regelkreises muss dabei stets die höchste Priorität zugewiesen werden. Falls diese Aufgabe überläuft, stoppt die Motorsteuerung ihre Arbeit, was häufig zur Zerstörung des Motors führt, da dann der Leistungskonverter nicht mehr korrekt arbeitet.

Zusammen mit den Regelkreisen (und dem damit zusammenhängenden Datenhandling von den Rückkoppelelementen wie Encoder und Stromsensoren) muss der Controller mehrere weitere wichtige Funktionen erfüllen:

• Kommunikationsschnittstellen: Beispielsweise Industrielle Ethernet-Software-Stacks, wie Ethernet-I/P für die Kommunikation mit SPSen und weiteren Geräten, USB als Benutzeroberfläche.

• Anwendungs- oder Diagnoseanwendungen: z.B. Messwerterfassung, Antriebs-/Motordiagnose oder Applikationen zur Antriebskonfiguration.

• Systemmanagement: Anlaufkontrolle, Fehlerüberwachung im Antrieb, übergeben von Befehlen und Referenzen an die Regelkreise.

• Betriebssicherheitsfunktionen: Überwachen und Managen von Sicherheitsfunktionen wie STO (Safe Torque Off).

• Security-Funktionen: Managen von sicherem Booten (Secure Boot), sichere Kommunikation und sichere Aktualisierung der Firmware, üblicherweise zusammen mit sicheren Hardwarekomponenten, wie solchen zur Authentifizierung.

Wie ist der Controller typischerweise implementiert?

Ein einzelner Controller-IC: Bei der Regelung mit einem einzigen Controller-IC sind alle Funktionen in einem Mikroprozessor oder SoC (System-on-a-Chip) integriert. Diese Methode wird immer seltener, da die Komplexität steigt und immer mehr Netzwerk-Schnittstellen, Anwenderfunktionen, Diagnose- und Sicherheitsfunktionen nötig sind. Sie ist aber immer noch sehr verbreitet in weniger komplexen Antrieben und in Invertern mit offenem Regelkreis (Bild 3). In höher entwickelten Antrieben, können komplexe SoCs, wie Xilinx-Ultrascale, eingesetzt werden. Die Kombination von mehreren Hochleistungs-Prozessorkernen und konfigurierbaren digitalen Funktionsblöcken ermöglicht das erfolgreiche Partitionieren der unterschiedlichen Controllerfunktionen.

Separater Stromregler-IC: In vielen Antriebsarchitekturen wird die Stromregelfunktion, die das Handhaben der Stromrückkopplung und auch die Pulsweitenmodulation beinhaltet, von einem eigenen IC ausgeführt, der üblicherweise mit derselben Referenzmasse wie der Leistungsinverter verbunden ist. Diese Funktion hat die strengsten Anforderungen bezüglich des deterministischen Echtzeitbetriebs, so dass es häufig sinnvoll ist, sie in einen diskreten applikationsspezifischen Mikrocontroller mit spezieller Peripherie für Motorantriebe zu implementieren oder sogar in ein FPGA-SoC (z.B. Xilinx Zync) oder in eine Kombination aus einem kleinen FPGA mit Mikrocontroller. Bei diesem Architekturtyp sind die Positions-/Geschwindigkeits-Controller und die restlichen Controller-Funktionen in einem leistungsfähigeren Mikroprozessor integriert, der auf der Schutzleiterseite der Antriebsarchitektur angesiedelt ist.

Separater Netzwerk-Stack und Schnittstellen-IC: Die Netzwerk-Schnittstellenfunktionen können in einen Netzwerk-Stack-Prozessor, ein ASIC oder ein FPGA ausgelagert werden. Dies ist eine nützliche Partitionierung, in der die Komplexität der industriellen Ethernet-Schnittstelle separat gehandhabt werden kann, während ein weiterer Prozessor die Benutzeroberfläche, die Sicherheits- und Diagnosefunktionen übernimmt. Dies erlaubt eine einfachere Modularisierung der Netzwerk-Schnittstelle sowie mehrfache Protokolle und die Isolierung von jeglichen Problemen des Netzwerk-Datenverkehrs. (kr)

Analogtipp

Höhere Auflösung mit rauscharmen Spannungsreferenzen

Analogtipp

Industrial Ethernet: Echtzeitkommunikation einfach gemacht!

* Dr. Dara OSullivan ist System Applications Manager bei Analog Devices.

(ID:49988976)