1. Einleitung. Die Vektorregelungstechnik hat sich als zuverlässige Lösung für leistungsstarke Drehzahlregelungssysteme mit variabler Frequenz bei Asynchronmotoren etabliert. Aktuelle Anwendungssysteme dieser Technologie nutzen jedoch hauptsächlich Feldsteuerungsverfahren zur Verbesserung der Motordynamik. Die Hardwarekomponenten basieren zumeist auf 8- oder 16-Bit-Mikrocontrollern, was die Vernetzung und die Erweiterung um fortgeschrittene Funktionen erschwert. Die rasante Entwicklung der Ethernet-Technologie erfordert von Unternehmen eine umfassende und nahtlose Informationsintegration von der Feldsteuerungsebene bis zur Managementebene sowie die Bereitstellung einer offenen Infrastruktur. Fortschritte in der Kommunikationstechnologie haben zudem den Einzug von Ethernet in die Motorsteuerung ermöglicht. In diesem Beitrag wird, basierend auf einem universellen Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem für Asynchronmotoren, ein Ethernet-Vektorregelungssystem für Asynchronmotoren mithilfe des Philips LPC2210-Mikrocontrollers mit ARM-Kern und des RealTek RTL8019AS-Ethernet-Controllers realisiert. 2. Systemstruktur: Das in Abbildung 1 dargestellte Vektorregelungssystem für Asynchronmotoren basiert auf einem eingebetteten Ethernet-Controller. Die Kommunikation zwischen dem RTL8019AS und dem Host-Computer erfolgt über das TCP/IP-Protokoll. Ein verbindungsorientierter Programmiermodus gewährleistet die präzise Datenübertragung. Der Mikrocontroller LPC2210 bildet mit dem Asynchronmotor einen geschlossenen Regelkreis und führt Funktionen wie Vektorregelungsalgorithmen und PWM-Impulsausgabe aus. 3. Merkmale des LPC2210: Der ARM-Controller verwendet den LPC2210-Chip von PHILIPS, basierend auf dem ARM7TDMI-S-Kern. Dieser Chip unterstützt 64-Bit-Ergebnismultiplikation, Halbwort- und Byte-Zugriff, den Thumb-Befehlssatz, einen 32x8-DSP-Multiplizierer und einen 32-Bit-Adressraum. Er verfügt außerdem über ein integriertes ICE-Modul zur Unterstützung des Debuggings eingebetteter Systeme sowie über einen JTAG-Testzugang. 4. Ethernet-Controller-Modul : Der RTL8019AS ist ein Vollduplex-Ethernet-Controller mit Plug-and-Play-Funktionalität. Zu seinen Hauptmerkmalen gehören: Kompatibilität mit den Standards Ethernet II und IEEE 802.3; Vollduplex mit simultanen Sende- und Empfangsgeschwindigkeiten von bis zu 10 Mbit/s; integrierter 16-kB-SRAM für Sende- und Empfangspufferung, wodurch die Anforderungen an den Hauptprozessor reduziert werden; Unterstützung für UTP, AUI und BNC, automatische Erkennung und automatische Polaritätskorrektur für die 10BaseT-Topologie. 5. Hauptschaltung des Systems 5.1 Steuerschaltung Das auf eingebettetem Ethernet basierende Vektorregelungssystem für Asynchronmotoren besteht im Wesentlichen aus einer Netzwerk-Controller-Einheit, einer Hauptschaltung des Steuerungssystems, einer Erkennungsschaltung und einem digitalen Controller. Das Hardware-Strukturdiagramm des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Hauptschaltung des Systems verwendet einen AC/DC/AC-Spannungsquellenwechselrichter mit Diodengleichrichter und einem Wechselrichter, der aus IGBT-Leistungsmodulen in einem Sechs-Röhren-Gehäuse besteht. Dieser Wechselrichter kann mit Standard-Käfigläufer-Asynchronmotoren verwendet werden. Die dreiphasige Wechselstromversorgung wird mittels eines ungeregelten Gleichrichters in eine Gleichstromversorgung mit konstanter Spannung umgewandelt und anschließend über einen PWM-Wechselrichter mit IGBTs geleitet, um eine einstellbare Wechselspannung für den Asynchronmotor zu erzeugen. Die Detektionsschaltung erfasst Spannung, Strom, Temperatur und Drehzahl. Spannung, Strom und Temperatur werden mittels eines A/D-Wandlers digitalisiert und an die Steuerung gesendet. Die Drehzahlmessung erfolgt über einen fotoelektrischen Drehgeber, der die gemessene Motordrehzahl an die Steuerung zurückmeldet. Verschiedene Fehlerschutzmaßnahmen werden durch die Erfassung von Spannungs-, Strom- und Temperatursignalen implementiert. Diese Signale werden von der Signalverarbeitungsschaltung umfassend verarbeitet, einschließlich Spannungsteilung, optischer Trennung, Filterung und Verstärkung. Anschließend werden sie einem A/D-Wandler zugeführt und der CPU als Grundlage für Regelalgorithmen oder als Schaltpegel zur Erzeugung von Schutz- und Anzeigesignalen übergeben. Der Netzwerkcontroller RTL8019AS verfügt über zwei interne RAM-Bereiche: einen 16-KB-Bereich (Adressen 0x4000 bis 0x7fff) und einen weiteren 32-Byte-Bereich (Adressen 0x0000 bis 0x001f). Der RAM ist seitenweise organisiert, wobei jede Seite aus 2,56 Byte besteht. Der Chip integriert einen DMA-Controller, einen ISA-Bus-Controller und einen Netzwerk-PHY-Transceiver. Programmierer können Daten, die gesendet werden sollen, per DMA in den On-Chip-SRAM schreiben, sodass der Chip die Daten automatisch sendet; umgekehrt kann das Programm per DMA empfangene Daten lesen. Gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten ist im Vollduplex-Modus möglich. Der digitale Controller bildet das Herzstück des Systems. Er verwendet einen ARM-basierten Mikrocontroller, den LPC2210, um Funktionen wie Vektorsteuerungsalgorithmen, PWM-Impulserzeugung, Strommessung und -verarbeitung sowie die Kommunikation mit dem Host-Computer auszuführen. Der Mikrocontroller LPC2210 verfügt über 16 kB On-Chip-SRAM, zwei 32-Bit-Timer mit je vier Erfassungs- und Vergleichskanälen, eine Echtzeituhr (RTC) und einen Watchdog-Timer, einen Vektor-Interrupt-Controller (VIC) mit konfigurierbarer Priorität und Vektoradresse, die Möglichkeit, den Prozessor über externe Interrupts aus dem Energiesparmodus zu wecken, sowie die Möglichkeit, den Stromverbrauch durch individuelles Aktivieren/Deaktivieren externer Funktionen zu optimieren. Seine sechs integrierten PWM-Pulsausgänge erzeugen über eine Treiberschaltung SPWM-Signale zur Ansteuerung von Leistungstransistoren. Ein 8-Kanal-10-Bit-A/D-Wandler kann zur Erfassung von Spannungs- und Stromrückmeldungen aus dem System verwendet werden. Da der Controller selbst keinen ROM besitzt, wird ein externer 2-MB-CMOS-Flash-ROM-Speicher (SST39VF160) zum Speichern von Code und Daten verwendet, die nach dem Abschalten erhalten bleiben müssen. Gleichzeitig wird ein externer 8-MB-SDRAM-Speicher (IS42S16400) zur Verbesserung der Speicherzugriffsgeschwindigkeit eingesetzt. 5.2 Schnittstellendesign zwischen RTL8019AS und LPC2210 Der RTL8019AS verfügt über drei Betriebsmodi: Jumper-Modus, in dem die I/Os und Interrupts der Netzwerkkarte über Jumper festgelegt werden; Plug-and-Play-Modus, der automatisch per Software konfiguriert wird; und Jumperloser Modus, in dem die I/Os und Interrupts der Netzwerkkarte durch den Inhalt des externen 93C46 bestimmt werden. In eingebetteten Anwendungen wird Pin 65 auf High gesetzt, um den Jumper-Modus zu aktivieren und so den Verdrahtungsaufwand und die Kosten zu reduzieren. Die Pins BDO-BD3 des Netzwerkkarten-Controllers legen den I/O-Adressbereich des Netzwerkkartenchips fest; die Hardware-Initialisierung umfasst hier 300H-31FH. SAO bis SA19 sind die Adressleitungen der Netzwerkkarte. Aus dem Basisadressbereich geht hervor, dass die fünf Pins SAO-SA4 ausreichen, um die Chip-Select-Funktion des LPC2210 für den RTL8019AS zu realisieren. Die unteren 16 Bit des Datenbusses des ARM-Controllers sind mit den 16-Bit-Datenleitungen der ISA-Netzwerkkarte verbunden. Durch Setzen von IOCS16 auf HIGH wird die Netzwerkkarte in den 16-Bit-Betriebsmodus versetzt. Da der LPC2210 byteadressierbar ist, muss die Prozessoradresse um ein Bit versetzt werden; das heißt, A1 des Systems ist mit SAO des RTL8019AS verbunden usw. Der LPC2210 arbeitet mit 3,3 V, der ISA-Bus hingegen mit SV. Daher ist ein 470-Ω-Widerstand zur Pegelwandlung in Reihe zwischen den Signalleitungen geschaltet. Die Schnittstellenschaltung zwischen dem Netzwerkcontroller RTL8019AS und dem LPC2210 ist in Abbildung 3 dargestellt. 6. Fazit: Mit der Weiterentwicklung von Steuerungs- und Netzwerktechnologien steigen die Anforderungen an hohe Effizienz in Steuerungssystemen und die Integration der Feldsteuerung in die übergeordnete Systemverwaltung stetig. Der ARM-Controller LPC2210 und der Ethernet-Controller RTL8019AS erfüllen die Anforderungen an die Fernsteuerung und gewährleisten gleichzeitig eine hohe Steuerungsleistung. Dieser Artikel bietet lediglich eine erste Untersuchung des RTL8019AS und des LPC2210 für die Steuerung von Asynchron-Vektormotoren. Für den praktischen Einsatz dieser eingebetteten Ethernet-Technologie in einem solchen Steuerungssystem sind jedoch weitere Verbesserungen und Optimierungen erforderlich.