Eine effiziente Bewegungssteuerung ist für viele industrielle Anwendungen unerlässlich, von einfachen XY-Tischen bis hin zu komplexen Roboter- und Sicherheitssystemen. Die Konstruktion der Antriebs- und Steuerungsschaltungen für diese Funktionen hat sich über viele Jahre kaum verändert. Die Hardwarearchitektur umfasst typischerweise einen Standard-Mikrocontroller oder DSP, kundenspezifische Logikschaltungen für Decoder-Eingänge und Motorausgänge, Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler (ADCs und DACs) sowie analoge Schaltungen zur Ansteuerung von Rotor- und Statorströmen (typischerweise eine H-Brücken-FET-Ansteuerung für Schrittmotoren). Diese lange Liste integrierter Schaltungen und diskreter Bauteile ist umfassend: Solche Systeme benötigen häufig eine Netzwerkschnittstelle (z. B. RS-485 oder CAN), um die Bewegung mit anderen Systemaktionen zu koordinieren. Darüber hinaus benötigen sie externen Speicher zum Einstellen und Speichern verschiedener Parameter. Auch der Softwareaufwand ist erheblich: Er reicht von der Generierung der benötigten Ansteuersignale bis hin zu übergeordneten Steuerungs- und Überwachungsfunktionen wie der Fehlerdiagnose. In letzter Zeit haben Motor- und Steuerungshersteller begonnen, stärker integrierte Standardprodukte anzubieten. Mithilfe von Leiterplatten oder hybriden Verbindungstechnologien werden alle notwendigen diskreten Komponenten kombiniert: Die gesamte Hauptplatine (oder das Modul) wird entweder separat verkauft oder in den Motor integriert. Solche Baugruppen sind zwar für Anwendungen mit Hochstrom (mehrere Ampere) und mehrphasigen Schrittmotoren geeignet, erfordern jedoch weiterhin umfangreiche Programmierkenntnisse und sind ungeeignet für Anwendungen, bei denen Platz und Kosten entscheidend sind, insbesondere bei geringeren Stromanforderungen. Daher konzentrieren sich Halbleiterhersteller auf die Entwicklung von Ein - Chip-Lösungen, um die meisten (und in einigen Fällen alle) Motoransteuerschaltungen zu ersetzen. Die Herstellung dieser Bauelemente ist besonders anspruchsvoll, da sie digitale Logik, Hochspannungsschaltung und analoge Funktionalität vereinen. Nur Hersteller, die auf ausgereiften und bewährten Mixed-Signal-Verarbeitungstechnologien wie AMIS I2T, I3T und C5x basieren, können solche integrierten Schaltungen erfolgreich produzieren. Diese subminiaturisierten Prozesse vereinen Hochspannungsbetrieb, einen weiten Leistungsbereich, digitale Logik und anspruchsvolle analoge Schaltungen auf demselben Substrat. Dank dieser Integrationsfähigkeit konnte AMIS den branchenweit ersten Mikroschrittmotortreiber mit LIN-Schnittstelle als Teil der AMIS-3062x-Serie anwendungsspezifischer Standardprodukte (ASSPs) auf den Markt bringen. Der Einsatz fortschrittlicher Mixed-Signal-Technologie ermöglicht die Integration von Busverbindungen, Positionssteuerung, Steuerschaltungen und Motortreibern in einem einzigen Gehäuse und macht diese Geräte damit zukunftsweisend. Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm des AMIS-30623 als Beispiel für diese neueste Technologie. Kernstück dieses integrierten Schaltkreises sind ein digitaler Bewegungscontroller und ein bipolarer Zweiphasen-Schrittmotortreiber mit H-Brücken-Anordnung (50 mA bis 800 mA). Dieser Treiber ermöglicht Mikroschrittbetrieb und eliminiert somit Kompromisse zwischen Geschwindigkeit, Rauschen und Schrittverlusten durch Resonanz. Der Bewegungscontroller bietet programmierbaren Spitzenstrom mittels 20-kHz-PWM-Stromregelung. Er integriert außerdem eine Systemkommunikationsschnittstelle mit LIN- oder I²C-Optionen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Geräte liegt darin, dass alle anwendungsspezifischen Bewegungssteuerungsfunktionen werkseitig vorprogrammiert sind. Dies reduziert den Programmieraufwand für die Ingenieure erheblich. Tatsächlich sind Benutzerfreundlichkeit und einfache Programmierung für Entwickler, die sich für solche Geräte entscheiden, oft die wichtigsten Kriterien. Daher sind die Entwicklungs- und Evaluierungswerkzeuge ebenso wichtig wie die Hardware. Das AMIS EVK-3062x (Abbildung 2) und andere Evaluierungskits enthalten alle notwendigen Werkzeuge, um den Controller über USB und LIN oder I2C mit einem PC zu verbinden. Dieses Kit ermöglicht die GUI- oder skriptbasierte Steuerung aller vier Geräte dieser Serie. Flexibilität in der Entwicklungsphase ist entscheidend für eine kürzere Entwicklungszeit. Aus diesem Grund legen Entwickler bei der Auswahl von Bewegungscontrollern großen Wert auf vielfältige Speicheroptionen. Insbesondere Flash-Speicher-Versionen der Geräte ermöglichen die Neuprogrammierung während der Anwendungsentwicklung sowie das anschließende Testen und Debuggen der Software. Dies beschleunigt die Designiteration deutlich. Schnittstellenoptionen: Aus Sicht des Systemdesigns sind die Kommunikationsschnittstellenoptionen ebenfalls entscheidend, wobei LIN und I2C die beiden gängigsten sind. LIN eignet sich besonders für die Implementierung busbasierter Architekturen. In entfernten oder verteilten Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie, kann diese Architektur den Verkabelungsaufwand reduzieren und die EMV-Leistung verbessern. Geräte mit I²C-Schnittstelle eignen sich besonders für den Einsatz als Peripheriegeräte auf einer separaten Leiterplatte neben einem lokalen Mikroprozessor. Entwickler halten diese Schnittstelle für optimal geeignet, um Positionsbefehle auf hoher Ebene an den Motorsteuerungschip zu übertragen, der eine wichtige Komponente des Haupttreibers oder -controllers darstellt. Zusätzlich zum Senden von Befehlen kann der Haupttreiber oder -controller Statusinformationen wie die Ist-Position und Fehlerflags vom Gerät abfragen. Über die Schnittstelle lassen sich außerdem Bewegungssteuerungsparameter wie Mikroschrittauflösung, Betriebsstrom, Haltestrom, Beschleunigung und Verzögerung einstellen, die typischerweise in einem einmalig programmierbaren Speicher (OPM) gespeichert werden. Sensorbasiert oder sensorlos: Nach der Auswahl einer Schnittstelle muss der Entwickler zwischen sensorbasierten und sensorlosen Regelungsstrategien wählen. Letztere nutzen die Gegen-EMK (oder den Gegenstrom) in den Statorspulen, um die Rotorposition zu ermitteln. Dadurch entsteht ein System mit minimaler Störanfälligkeit gegenüber externen Komponenten. Die sensorbasierte Rückkopplung fügt ein externes Sensorelement hinzu und ermöglicht ebenfalls eine hochwertige Regelung. Es bietet eine absolute Messmethode für die Rotorposition rund um die Uhr, was für zeitkritische und hochdynamische Anwendungen wichtig ist. Der zusätzliche Sensor erhöht jedoch die Systemkomplexität und die Kosten. Viele Positionsregler auf Schrittmotorbasis benötigen keine kontinuierliche Rückmeldung der Rotorpositionsmessung. Dieser „Open-Loop“-Betrieb basiert auf einer geeigneten Auslegung und erfordert lediglich die Erkennung von Endpositionen und Ereignissen, die die Rotorbewegung stoppen. Im Allgemeinen kann der normale Betrieb statistisch durch Schließen/Öffnen eines einfachen Schalters in einer bestimmten Rotorposition überprüft werden. Die AMIS-3062x-Serie bietet mit integrierten Positionsreglern synchronisierte Schalteingänge, wodurch dieser Ansatz ebenfalls anwendbar ist. Darüber hinaus ermöglicht diese Serie eine vollständig sensorlose Bewegungssteuerung. Die integrierte sensorlose Stopperkennung verhindert Schrittverluste und stoppt den Motor bei mechanischer Blockierung. Sie ist sehr einfach zu bedienen und erfordert nur vorprogrammierte Parameter. Sie ermöglicht auch einen Semi-Closed-Loop-Betrieb beim Annähern an die mechanische Endposition des Systems. Bei der AMIS-3062x erfordert die sensorlose Stopperkennung keine zusätzliche Programmierung und gewährleistet so eine schnelle, wirtschaftliche und zuverlässige Implementierung. Mikroschrittbetrieb: Ingenieure sollten mit dem Konzept von Mikroschrittmotoren vertraut sein. Die meisten integrierten Steuerungen bieten Entwicklern verschiedene Auflösungsoptionen: Für die AMIS-3062x-Serie stehen 1/2-, 1/4-, 1/8- und 1/16-Schritt-Betrieb zur Verfügung. Mikroschrittbetrieb ermöglicht eine gleichmäßigere Bewegung und einen effizienteren Betrieb bei niedrigeren Frequenzen. Dadurch wird das System weniger anfällig für Resonanzeffekte, da die großen, diskontinuierlichen Wellenformen von Voll- oder Halbschrittsystemen vermieden werden. Insgesamt werden mechanische Vibrationen und Motorgeräusche reduziert. Die Nutzung der Vorteile des Mikroschrittbetriebs hängt natürlich von der Fähigkeit der Steuerung ab, den Ansteuerstrom hinsichtlich Amplitude und Timing präzise anzupassen. Das Verhältnis der beiden Ansteuerströme in der H-Brücke bestimmt die Motorposition, während das Drehmoment über die Amplitude gesteuert wird. Die Genauigkeitsanforderung für diese Regelung ist ein ebenso wichtiger Konstruktionsparameter wie der maximal benötigte Ansteuerstrom in dieser Anwendung. Mehrere Gerätespezifikationen beeinflussen diese Parameter: beispielsweise die geeignete Wahl der PWM-Frequenz (20 kHz beim typischen AMIS-3026x), von der sich die Oszillatorfrequenz und -genauigkeit (4 MHz, ±10 %) ableiten. Wichtig ist jedoch auch die Einschaltzeit des Treibers: Der AMIS-3026x gibt hierfür 350 ns bzw. 250 ns an. Das Gerät verfügt zudem über eine integrierte, symmetrische Spannungsquelle als Präzisionsreferenz. Schließlich muss der gewählte Motion-Controller den erforderlichen hohen Treiberstrom liefern können: Das AMIS-Gerät bietet hierfür eine integrierte 250-kHz-Ladungspumpe. Größe und Leistungsaufnahme : Nach Bestätigung der erforderlichen Leistung des Geräts müssen Entwickler zwei Faktoren berücksichtigen, die in vielen Anwendungen relevant sind: Größe und Leistungsaufnahme. Anwendungen wie die Automobilindustrie, Industrieanlagen und Gebäudeautomation erfordern häufig die direkte Montage von Motion-Controllern an Motoren, was den Einsatz kleiner, robuster Bauteile notwendig macht. Bauelemente im Micro Leadframe (MLF)-Gehäuse sind jetzt verfügbar und eignen sich daher ideal für solche Anwendungen. Dieses NQFP-Gehäuse im Chip-Maßstab hat einen Querschnitt von weniger als 1 mm² und benötigt nur 7 mm x 7 mm Platz. Ein weiterer Vorteil dieses neuen Bauelements ist der deutlich verbesserte Wärmewiderstand, der durch ein Design mit freiliegender Unterplatte erreicht wird. Dies ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung vom integrierten Schaltkreis zum Montagesubstrat. Ebenso wichtig ist die Integration des Bauelements: Die meisten Controller-Chips verfügen beispielsweise über Schutzfunktionen, die typischerweise in Leistungsanwendungen benötigt werden. Zu diesen Funktionen gehören Überstrom-, Unterspannungs- und Überspannungsschutz sowie Warnungen und Managementfunktionen für hohe und niedrige Temperaturen. Im Allgemeinen handelt es sich dabei nicht um „zusätzliche Funktionen“, sondern um essentielle Systemkomponenten, die ohne die Integration in den Controller zusätzliche Komponenten erfordern würden. Auch der Stromverbrauch ist ein wichtiger Faktor. Aktive Kühlung, die hauptsächlich im H-Brücken-FET eingesetzt wird, verschwendet nicht nur Energie, sondern erhöht auch die Betriebstemperaturen. Dies wiederum erfordert zusätzliche Kühlkomponenten und beeinträchtigt die Langzeitstabilität. Andererseits stellt der Stromverbrauch im Ruhemodus in Anwendungen wie der Automobilindustrie ein besonderes Problem dar, da Geräte dort längere Zeit im abgeschalteten Zustand verweilen und auf Unterbrechungen oder Tastendrücke warten. Geräte mit einem typischen Abschaltstrom von 50 V (wie der AMIS-3026x) eignen sich besonders gut für solche Anwendungen. Zukunftsaussichten : Ein-Chip-Motorsteuerungen gewinnen heute rasant Marktanteile gegenüber Lösungen mit diskreten Bauelementen. Obwohl einige Anwendungen weiterhin einen Subsystemansatz erfordern, gewinnen ASSP-Produkte zunehmend an Bedeutung. AMIS geht davon aus, dass sich die zukünftige Entwicklung auf zwei Kernbereiche konzentrieren wird: Erstens die Erhöhung des Treiberstroms auf über 2,5 A, während Entwickler gleichzeitig einen höheren Integrationsgrad und eine kleinere Gesamtsystemgröße erwarten. Zweitens werden zukünftige Geräte mehr Flexibilität bieten. Dies erweitert nicht nur den Funktionsumfang einer einzelnen Anwendung, sondern ermöglicht auch den Einsatz derselben Hardware in mehreren Projekten und verkürzt so die Einarbeitungszeit für Entwickler. Entscheidend für all diese aktuellen und zukünftigen Entwicklungen ist die Integration von Mixed-Signal-Schaltungen, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten, anwendungsspezifischer Software und benutzerfreundlichen Entwicklungswerkzeugen. Da Unternehmen wie AMIS die Anwendung dieser Technologien kontinuierlich ausweiten, gleichen sich die analoge und die digitale Welt immer mehr an, was Designern konkrete Vorteile bei der Lösung von Problemen in der heutigen realen Welt bringen wird.