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17.01.2013

XMOS - Motoren effizient steuern

XMOS - Motoren effizient steuern.

Bürstenlose Gleichstrommotoren sind durch die Entwicklung intelligenter Smart-Power-Devices rasch in neue Anwendungsgebiete vorgedrungen. Konstruktionsbedingt sind diese BLDCs äußerst wartungsarm, leistungsfähig und präzise zu steuern – es bedarf aber intelligenter und vor allem deterministischer Controller, um ihre besten Eigenschaften ans Tageslicht zu fördern. Die Echtzeit-Prozessoren der Firma XMOS sind dafür ideal geeignet und auch ein Referenzkit ist verfügbar.

XMOS Motor-Control Plattform

XMOS bietet mit seinen ereignisgesteuerten Multi-Core-Prozessoren eine neue Realisierungsmöglichkeit, indem die besten Eigenschaften von 3 Architekturen in einem einzelnen IC vereinigt werden:

• Programmier-Hochsprache und die Signalverarbeitungsfähigkeiten eines DSPs
• Die flexible Konfigurierbarkeit von I/Os und Schnittstellen der FPGAs
• Die niedrigen Kosten und einfache Programmierbarkeit von Mikrocontrollern

Damit eignen sich die Prozessoren in idealer Weise für klassische Echtzeitaufgaben, wie etwa die Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDCs). Das von XMOS vorgestellte Referenzkit unterstützt 2 Motoren mit jeweils bis zu 7,7 Watt samt notwendiger Sensorik und umfangreichen Kommunikationsmöglichkeiten über CAN-Bus, Ethernet und LCD-Bedienerschnittstelle.

BLDC Motorsteuerung

Die Steuerung eines BLDC-Motors verlangt im Wesentlichen die kontinuierliche Ermittlung der Rotorposition und die Bedienung der Leistungstransistoren durch Erzeugung einer variablen Frequenz sowie variablen Amplitude, um abhängig von Position, Geschwindigkeit und Drehmomentanforderung die optimalen Betriebsparameter vorzugeben.
Die Positionsbestimmung des Rotors stützt sich entweder auf Hall-Sensoren oder Dreh-Encoder auf der Motorwelle oder kann ohne Sensoren durch Messung der Gegen-EMK während der nicht angesteuerten Phase der Statorspulen erfolgen. Verfahren mit Sensoren sind einfach in der Implementierung und verlangen nur geringe Prozessorleistung, brauchen aber zusätzliche Hardware in Form der eigentlichen Sensoren, notwendiger Verbindungen und Messwertaufbereitung. Das sensorlose Verfahren auf der anderen Seite erhöht ganz erheblich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, braucht aber eine deutlich höhere Rechenleistung der Steuereinheit.
Ausgangsseitig ist ein wesentlicher Schlüsselfaktor die präzise Erzeugung der notwendigen PWM (= pulse width modulation) für die Leistungselektronik. Plattformen mit der Möglichkeit zur anwenderseitigen Parametrisierung der PWM, wie im XMOS Referenzsystem gegeben, eröffnen die Möglichkeit zur Optimierung der Effizienz des Motors und seiner Steuerung.

Echtzeitfähigkeit

Die Ansteuerung der Transistorbrücke zur Erzeugung des korrekten Stromflusses in den Statorwicklungen ist eine klassische Real-Time-Aufgabe. Wenn der Motor nicht zum genau richtigen Zeitpunkt angesteuert wird, entsteht ein Drehmoment-Ripple, der Motor produziert mehr hörbaren Lärm und sein Wirkungsgrad sinkt aufgrund der Tatsache, dass der magnetische Fluss nicht exakt senkrecht zum Magnetfeld des Rotors steht. Controller müssen also erhebliche Anstrengungen zur permanenten Validierung der Parameter leisten.

Diese Art von Anforderung auf traditionellen Prozessorarchitekturen zu erfüllen ist nicht trivial und häufig wird ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) eingesetzt, um den komplexen DSP-Plattformen ein deterministisches Systemverhalten beizubringen.

XMOS Prozessoren sind zu 100% deterministisch und daher entfällt die Notwendigkeit für ein RTOS. Zudem können simultan und parallel mehrere Hardware-Threads laufen. Auf der Motor-Control-Plattform sind es z.B. 5 Threads eines Single-Core XS1-L1 für die gesamte Steuerung. Das Diagramm zeigt in der "Main Control Loop" die Zuordnungen.

Auf dem Referenzkit hat XMOS das Design in 2 große Blöcke zur Kommunikation und Steuerung getrennt und auf 2 Prozessoren aufgeteilt. Für die eigentliche Steuerung genügt ein Single-Core, für die umfangreiche Kommunikation mit Ethernet, CAN-Bus und Display kommt ein Dual-Core Baustein XS1-L2 zum Einsatz.


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