Da sich die Leistung und Integration elektronischer Bauteile stetig verbessern und gleichzeitig deren Preise sinken, schreitet die Entwicklung elektronischer Steuergeräte (ECUs) rasant voran. Angesichts zahlreicher neuer Technologien und Anwendungen, von Haushaltsgeräten bis hin zu automatisierten industriellen Produktionslinien, liegt der Fokus weiterhin auf der Reduzierung von Design-, Entwicklungs- und Gesamtsystemkosten bei gleichzeitiger Steigerung von Design- und Energieeffizienz. Parallel dazu nimmt die Komplexität von Bewegungssteuerungsanwendungen zu und entwickelt sich von einfacher Ein/Aus-Steuerung hin zu Anwendungen mit variabler Drehzahl und präziser Steuerung in hochintegrierten Umgebungen. Die Steuerschaltungen für verschiedene AC-, DC-, Bürsten- und bürstenlose Motoren bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten: der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), dem Mikrocontroller (MCU) und der Steuerlogik. Bei der geschlossenen Bewegungssteuerung ist die Sensorschnittstelle eine externe Komponente (Abbildung 1). Die Integration der Bewegungssteuerungslogik in den digitalen Bereich ermöglicht eine verteilte Umgebungssteuerung. Die Kombination von Bewegungssteuerungselektronik und verteilten Netzwerken kann eine Vielzahl neuer Funktionen in der Werkstatt realisieren, darunter Fernverwaltung, Anpassung an sich ändernde Protokolle, Leistungsüberwachung und planmäßige Wartung. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie heute häufig Schrittmotor-betriebene Roboterarme eingesetzt. Roboterarmsysteme erschweren die verteilte Steuerung, da verschiedene Roboterarme gleichzeitig unterschiedliche Teile an mehreren Fahrzeugen montieren. Eine der größten Herausforderungen für Systementwickler ist die Synchronisierung verschiedener Roboterarme und anderer automatisierter Geräte über ein lokales Netzwerk. Erschwerend kommt hinzu, dass Fernverwaltungsfunktionen (wie Überwachung, Datenaustausch und Fernkonfiguration) für komplexe zentrale Steuerungstopologien oft kritisch sind, weshalb ein effektiver Mechanismus zur verteilten Steuerung unerlässlich ist. Dank Fortschritten in der Halbleitertechnologie und -integration haben sich Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) zu einer wichtigen alternativen Plattform für viele elektronische Bewegungssteuerungsanwendungen entwickelt. FPGAs haben sich rasant weiterentwickelt und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) in vielen Anwendungsbereichen ersetzt. Nichtflüchtige FPGAs sind eine kostengünstige Alternative zu ASICs und eliminieren die hohen Entwicklungskosten und langen Entwicklungszeiten, die mit ASICs verbunden sind. Durch den Ersatz fester Logik durch FPGAs können Entwickler zudem Produkt-Upgrades und -Anpassungen sowohl in der Designphase als auch im Feld effizient und zuverlässig implementieren. Flashbasierte Mixed-Signal-FPGAs (wie z. B. Actel Fusion PSCs) ermöglichen eine beispiellose Integration auf einem einzigen Chip. Dadurch können diese Bausteine ​​zahlreiche diskrete Komponenten ersetzen und Kosten und Platzbedarf um mindestens 50 % reduzieren, ohne die Systemzuverlässigkeit zu beeinträchtigen (Abbildung 2). Der integrierte Flash-Speicher von Mixed-Signal-Bausteinen erlaubt es Entwicklern zudem, Designdokumente zu speichern – im Gegensatz zu SRAM-basierten FPGAs, die eine separate PROM-Konfiguration benötigen. Wie andere reprogrammierbare FPGA-Lösungen ermöglichen konfigurierbare und flexible Mixed-Signal-FPGAs außerdem einfache Designänderungen während der Entwicklung und auch nach der Anwendung. FPGAs sind bekannt für ihre Fähigkeit, mathematische Operationen durch Parallelverarbeitung zu beschleunigen und eignen sich daher ideal für die Implementierung von Motorsteuerungslogik. FPGAs können präzisere Regelkreise ausführen und bieten so eine bessere Regelung mit weniger Restwelligkeit und Rauschen. Entwickler können auch Softprozessorkerne in Mixed-Signal-FPGAs mit integriertem Flash-Speicher integrieren, die direkt vom On-Chip-Speicher ausgeführt werden, um die Anforderungen der Steuerlogik und der Interrupt-Treiber optimal zu erfüllen. Da Anzahl und Art der Logikgatter sowie die Funktionalität der Steuerlogik je nach Anwendung und Leistungsanforderungen variieren, eignet sich programmierbare Logik oft am besten zur Implementierung verschiedener Benutzerschnittstellen und digitaler Steuerlogik, einschließlich Netzwerk- und Peripherieschnittstellen, Pulsweitenmodulation (PWM), Quadraturgeberschnittstellen und Sensoreingängen. Dies ist für moderne Bewegungssteuerungssysteme unerlässlich. Netzwerk- und Peripherieschnittstellen ermöglichen es Benutzern in Bewegungssteuerungssystemen, Befehle zur Initialisierung, Konfiguration und Steuerung von Logikschaltungen sowie zur Fernverwaltung des Steuerungssystems zu erteilen. Je nach Funktion und Topologie können die Netzwerk- und Peripherieschnittstellen jedes Bewegungssteuerungssystems individuell implementiert sein, verfolgen aber alle das gemeinsame Ziel, die Systemzugänglichkeit durch Schnittstellen zu verbessern. Aktuell stehen verschiedene Industriestandard-Schnittstellen zur Verfügung, wie z. B. Universal Serial Bus (USB) für den lokalen Zugriff, RS232-basierte serielle Schnittstellen und Controller Area Network (CAN)-Schnittstellen sowie 10/100-Ethernet basierend auf dem TCP/IP-Netzwerkprotokoll. In rauen Umgebungen, wie z. B. in Automobilwerken, können auch drahtlose Netzwerkschnittstellen erforderlich sein. Diese Schnittstellen ermöglichen Systemsynchronisation, Datenaustausch, Statusüberwachung und Fehleralarme innerhalb der Produktionsanlage. Darüber hinaus erweitern TCP/IP-basierte Netzwerkschnittstellen die Möglichkeiten des Fernzugriffs auf zentrale Fertigungssteuerungseinrichtungen aus beliebiger Entfernung. In vielen Fällen benötigen Anwendungen der industriellen Automatisierung spezielle Steuerungsalgorithmen und -geräte zur Erfüllung spezifischer Aufgaben. Um Funktionalitäten zu realisieren, die Standardschnittstellen nicht bieten können, müssen spezialisierte Schnittstellen in Betracht gezogen werden. Um das Potenzial eines verteilten Steuerungssystems voll auszuschöpfen, müssen Standardschnittstellen oder spezialisierte Netzwerkprotokolle auf Platinenebene hinzugefügt oder in programmierbare Logik eingebettet werden. FPGAs sind die optimale Plattform für die Integration aller Schnittstellen. Insbesondere moderne Mixed-Signal-FPGA-Bausteine ​​verfügen über analoge Frontends, die eine Vielzahl von Benutzereingaben unterstützen und die für die Bewegungssteuerung erforderliche Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung ermöglichen. Pulsweitenmodulation (PWM) ist nicht für alle Bewegungssteuerungsanwendungen geeignet. Aufgrund signifikanter Unterschiede in der Windungszahl, der Nennspannung/-stromstärke, den Drehmomentkurven und anderen Parametern verschiedener Motoren muss jedes PWM-System diese Unterschiede berücksichtigen. In einem PWM-gesteuerten System bestimmt die Reihenfolge der angelegten Spannungen die Drehrichtung des Motors. Bei gegebener Wicklungsinduktivität bestimmen das Tastverhältnis (bzw. die Pulsfrequenz und die Pulszuglänge) den Spitzenstrom und den Fluss (d. h. das Drehmoment) des Motors. Mechanischer Impuls und Wicklungsinduktivität (teilweise abhängig von der Windungszahl) glätten die PWM-Spannung. Durch Steuerung der Spannungsansteuerungsreihenfolge, der Frequenz und des Tastverhältnisses der Ansteuerschaltung kann das PWM-System Richtung, Drehzahl und mittleres Drehmoment regeln. Mithilfe von FPGA-Bausteinen können Entwickler PWM-Schemata realisieren, die optimal auf die Systemanforderungen abgestimmt sind, ohne auf herkömmliche MCU/DSP-Lösungen zurückgreifen zu müssen. Quadratur-Encoder-Schnittstelle (QEI): Die meisten hochpräzisen Motoren (z. B. Servo-Schrittmotoren in Roboterarmen) unterstützen Quadratur-Encoder-Schnittstellen. Das Steuerungssystem muss die entsprechende Logik für die Quadratur-Encoder-Schnittstelle bereitstellen, um Drehzahl, Position und Beschleunigung des Motors präzise zu messen. Programmierbare Logiktechnologie ermöglicht selbstverständlich eine präzise und dynamische Drehzahlregelung in verschiedenen Betriebsmodi, abhängig von den Eigenschaften des im Bewegungssteuerungssystem verwendeten Motors. Sensoreingänge: Für geschlossene Bewegungsregelungssysteme werden Eingangssignale für die Rotorposition und/oder Drehzahl benötigt. Diese Eingänge können integrierte Hall-Effekt-Sensoren oder externe optische Positionsgeber, Synchronresolver oder Magnetsensoren sein. Durch die Verwendung eines integrierten analogen Frontends bieten Mixed-Signal-FPGAs eine integriertere Lösung, die die Bauteilanzahl reduziert, die Systemkosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht. Zuverlässigkeit und Systemverfügbarkeit: Für moderne elektronische Systeme sind hohe Leistung, niedrige Integrationskosten und schnelle Diagnosefunktionen entscheidend. Diagnose und Prognose – die Fähigkeit, Fehlertypen zu identifizieren und vorherzusagen – gewinnen im Systemmanagement zunehmend an Bedeutung. Die Möglichkeit, Systemparameter von verschiedenen Boards, einschließlich solcher mit Zeitstempel, auszulesen und nachzubearbeiten, ist für die Systementwicklung von unschätzbarem Wert. Ebenso spart der Aufbau einer „Black Box“ wertvolle Zeit und Aufwand bei der Identifizierung von Fehlertypen und Konstruktionsfehlern. Der On-Chip-Flash-Speicher von Mixed-Signal-FPGAs kann kritische Systemparameter wie Stromverbrauch, Gerätetemperatur und Spannungsschwankungen speichern und mit einem Zeitstempel versehen. Diese Daten können nicht nur für die nachträgliche Fehleranalyse genutzt werden, sondern auch von innovativen Entwicklern zur Analyse von Systemtrends während des Betriebs. So können Entwickler beispielsweise Wicklungsstrom und Motorschwingungen (bei Anlegen einer bestimmten Spannung) messen, um den optimalen Zeitpunkt für eine geplante Anlagenabschaltung zu bestimmen. In industriellen Anwendungen sind geplante Abschaltungen deutlich kostengünstiger als ungeplante, da die Kosten für die Fehlersuche und die durch Anlagenstillstände entstehenden Gewinneinbußen entgehen. Mixed-Signal-FPGAs ermöglichen es Entwicklern, Ausfälle vorherzusagen, indem sie analysieren, wie spezifische Parameter die Lebensdauer der Platine beeinflussen. Dadurch wird die Maschinenauslastung maximiert, die Systemverfügbarkeit erhöht und das Risiko potenziell schwerwiegender Systemausfälle reduziert. Motoren finden in vielen Bereichen Anwendung, und viele werden zunehmend von elektromechanischen auf elektronische Systeme umgestellt. Die Kosten für Computer und Leistungselektronik stellten lange Zeit ein Hindernis für die breite Einführung elektromechanischer Steuerungen dar. Dank Fortschritten bei Halbleiterprozessen und Technologien zur funktionalen Integration verringert sich diese Hürde jedoch allmählich. Da Implementierungen mit fester Funktionalität weiterhin kostspielig sind und häufig unterschiedliche Komponenten sowie Änderungen auf Platinenebene in verschiedenen Designiterationen erfordern, haben sich FPGAs für viele Anwendungen im Bereich der Bewegungssteuerung als Alternative etabliert. Ideale Bewegungssteuerungsdesigns benötigen oft integrierte Komponenten, die zusammenarbeiten und so eine harmonische Koordination im Betrieb gewährleisten. Mixed-Signal-FPGA-Lösungen bieten eine extrem hohe funktionale Integration und erfüllen diese Anforderung optimal. Sie reduzieren die Anzahl der Komponenten, den Platzbedarf auf der Platine und die Gesamtsystemkosten erheblich und erhöhen dadurch die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit.