Die Steuerung von AC-Servoantrieben umfasst die Ansteuerung von AC-Asynchronmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren. Herkömmliche AC-Servoantriebe erfordern die Entwicklung eines kundenspezifischen Servoregelungssystems. Dieses System wird entweder vollständig intern entwickelt oder integriert bestehende Motorsteuerungen und benötigt daher einen erheblichen Personalaufwand sowie fortgeschrittene Expertise für die Integration von Regelungsberechnungen, Codierungstechnologien, analoger Schaltungstechnik und Energiemanagement. Obwohl Software-Designplattformen mit kundenspezifischen Berechnungen den Programmieraufwand reduzieren können, stoßen aktuelle Anwendungen nahezu an die Grenzen softwarebasierter Lösungen. Daher ist ein neuer Ansatz erforderlich, der die Entwicklung vereinfacht und eine höhere Leistung bietet. Integrierte Designplattform: Die traditionelle Entwicklung von Motorsteuerungen ist nicht nur anfällig für „weiche“ Fehler, sondern kann auch die Entwicklungszeitanforderungen eines schnelllebigen und vielschichtigen Marktes nicht erfüllen. Für Entwickler von Motorsteuerungen kann eine Motion-Control-Designplattform, die konfigurierbare digitale und analoge Regelungstechnologien sowie Lösungen für Leistungsschaltungen und Ansteuerschaltungen von Leistungsschaltern umfasst, den Entwicklungsprozess deutlich vereinfachen. Die IRMCS201-Designplattform von International Rectifier (IR), die Hardware und Software integriert, hat sich als Vorbild für Designplattformen von AC-Servoantriebs-Bewegungssteuerungen etabliert. Diese Plattform umfasst einen Servoantriebsregler und das Softwaretool ServerDesigner. Kernstück des Servoantriebsreglers ist der IRMCK201, ein dedizierter Motorsteuerungschip. Der IRMCK201 basiert auf der Motion Control Engine (MCE) von International Rectifier und ist Teil der iMotion IP-Serie. Die MCE im iMotion-Chipsatz ermöglicht feldorientierte Steuerung (FOC) innerhalb von 6 µs, während ein leistungsstarker programmierbarer DSP 15–20 µs benötigt. Dadurch wird eine 20-mal höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit als bei herkömmlichen DSPs erreicht. Die höhere Geschwindigkeit der MCE ist auf ihre parallele Hardware-Controller-/Signalprozessor-Konfiguration zurückzuführen. Dadurch werden die Schwierigkeiten herkömmlicher Mikrocontroller- oder DSP-Architekturen vermieden, wodurch eine analoge Steuerbandbreite bei gleichzeitig größerer Flexibilität und verbesserter digitaler Steuerleistung erzielt wird. Die MCE unterstützt somit eine höhere Drehmoment-Steuerbandbreite und kann mehr Steuerungs- und Peripheriefunktionen implementieren, ohne die effektive Zykluszeit zu überschreiten. Darüber hinaus arbeitet der IRMCK201 präzise mit geeigneten analogen und leistungselektronischen Bauteilen aus der iMotion-Datenbank zusammen und bietet Anwendern Hardware-Designreferenzen für Servoregler. ServerDesigner, ein Softwaretool für die Anwendung dedizierter Motorsteuerungschips, wird auf einem PC installiert. Kunden können die Steuerung mithilfe der ServerDesigner-Software einfach an spezifische Designvorgaben anpassen, indem sie den On-Chip-Speicher über die Kommunikationsschnittstellen konfigurieren. Die Hauptkommunikationslogik umfasst asynchrone Kommunikationsschnittstellen für RS232C, RS422 oder RS485, eine schnelle SPI-Schnittstelle und eine 8 Bit breite Host-Parallelschnittstelle. Alle Kommunikationsschnittstellen verfügen über die gleichen Speicherzugriffsfähigkeiten, sodass Anwender jede ausgewählte Speicherzelle lesen und beschreiben sowie den Antrieb über jeden verfügbaren Port konfigurieren und erkennen können. Dies vereinfacht den zuvor komplexen Designprozess. Die vom iMotion IP-Core-Modul festgelegte Architektur des Servoregler-Steuerungsalgorithmus ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, umfasst der dedizierte Motorsteuerungschip von IR lediglich die Drehzahl- und Stromregelung. Zur Implementierung der Positionsregelung ist, wie in Abbildung 2 dargestellt, ein Positionsregler erforderlich. Dies liegt daran, dass die Positionsregelung flexibler und schwieriger zu verallgemeinern ist. Basierend auf der Hardware-Designreferenz für Servoregler der IRMCS201-Designplattform kann der in Abbildung 3 dargestellte Servoregler entworfen werden. [ALIGN=CENTER]Abbildung 3: Blockdiagramm des Servoreglers [/ALIGN] Der IRMCK201-Chip bietet RS232/RS422/RS485-, SPI- oder 8-Bit-Parallelschnittstellen zur Kommunikation mit einem externen Host. Der Kommunikationsmodus (RS232/RS422/RS485) ist programmierbar. Über den Pegelwandler-Chip MAX232 ermöglicht die RS232-Schnittstelle dem PC-Host die direkte Konfiguration der MCK201 -Register und die Überwachung des Betriebszustands. Verschiedene Kommunikationsmodi sind üblicherweise aktiv und können untereinander umgeschaltet werden, jedoch nicht gleichzeitig ausgeführt werden. Der Chip IRMCK201 verfügt über sechs SVPWM-Ausgänge, die über einen Optokoppler und den Chip IR2136 die IGBT-Leistungsschalter eines dreiphasigen Brückenwechselrichters ansteuern. Er kann auch direkt mit intelligenten Leistungsmodulen verbunden werden. Der Treiberchip IR2136 verhindert Kurzschlüsse im selben Brückenzweig und bietet Unterspannungs- und Überstromschutz für alle Ausgänge. Der IRMCK201 bietet eine direkte Schnittstelle zum linearen Stromsensor-Chip IR2175. Der IR2175 hat eine maximale Eingangsspannung von 260 mV und kann analoge Eingangssignale in 130-kHz-PWM-Signale umwandeln. Der IRMCK201 beinhaltet eine Encoder-Schnittstelle mit Impulszahlen von 200 bis 10.000 Impulsen pro Umdrehung und Impulsfrequenzen bis zu 1 MHz, was den Aufbau von Drehzahlregelungssystemen vereinfacht. Es kann an verschiedene Encoder angeschlossen werden und zueinander orthogonale ENA-, ENB-Signale, Nullpunktmarkierungssignale sowie drei HALL-Signaleingänge empfangen , die unabhängig voneinander oder gemultiplext verwendet werden können. Beim Einschalten des Systems schätzt der IRMCK201 die Anfangsposition der Rotorpole des Permanentmagnet-Synchronmotors mithilfe der HALL-Sensorsignale und der Z-Impulsposition. Der IRMCK201 verfügt außerdem über digitale I/O-Pins für Steuereingänge und Statusanzeigen. Zu den Steuereingangssignalen gehören Start, Stopp, Drehrichtung und Fehlerbehebung; zu den Statusanzeigesignalen gehören Systemfehleranzeige, PWM-Ausgangsfreigabe und Synchronisationsanzeige. Der IRMCK201 besitzt eine serielle Speicherschnittstelle . Nach dem Einschalten und Neustart liest der Chip die konfigurierten Daten automatisch über den I²C-Bus aus dem Speicher, ohne dass ein Eingriff des Hostsystems erforderlich ist. Daher kann das System unabhängig von der Hoststeuerung arbeiten, und seine Initialisierungsdaten werden durch Auslesen des Inhalts des seriellen Speichers abgerufen. Die Konfiguration der Controller-Parameter erfolgt mithilfe des auf einem PC installierten Softwaretools ServerDesigner. Dabei werden Motor- und Steuerungsparameter in die Register des MCK201 geladen, wodurch die Konfiguration des Steuerungssystems ohne Softwareprogrammierung abgeschlossen wird. Zu den Motorparametern gehören Nenndrehzahl, Wicklungswiderstand, Induktivität, Nennstrom, Trägheitsmoment, Polzahl, Leerlaufstrom, Encodergenauigkeit und -typ sowie – bei Permanentmagnet-Synchronmotoren – Spannungs- und Drehmomentkonstante. Die Steuerungsparameter umfassen PI-Reglerparameter, Beschleunigungs-/Verzögerungszeit, PWM-Trägerfrequenz und Totzeit. Fazit: Angesichts des stetig wachsenden Anwendungsbereichs und der steigenden Drehzahlanforderungen müssen Entwickler für moderne Motorsteuerungen schnell konfigurierbare Lösungen bereitstellen, die den zunehmend anspruchsvollen Leistungsanforderungen gerecht werden. Eine Motion-Control-Designplattform, die optimierte analoge Steuerung, Leistungsschaltung und Antriebstechnologien sowie eine leistungsstarke hardwarebasierte digitale Steuerung integriert, kann die Herausforderungen hinsichtlich Entwicklungszeit und Leistungsanforderungen gleichzeitig bewältigen. Darüber hinaus reduziert dieser Controller mit dem Aufkommen von Ein-Chip-Digitalcontrollern mit einfach konfigurierbaren Puffern das Entwicklungsrisiko für Anwender ohne spezialisierte Software- oder Stromversorgungssystemkenntnisse. Referenzen: 1> ServoDesigner Benutzerhandbuch, IR Corporation, 2004 2> IRMCS2011, IR Corporation, 2004 3> IRMCK201, IR Corporation, 2004