Die meisten neuen Motorsteuerungssysteme nutzen digitale Signalprozessoren (DSPs), um die notwendige Rechenleistung für die Vektorsteuerung von Motoren bereitzustellen. Da die Vektorsteuerung erhebliche Rechenleistung und Peripherieressourcen erfordert, wurde bisher für jeden Wechselrichter und Motor ein eigener DSP-Controller verwendet. In letzter Zeit haben sich jedoch die Rechenleistung und die Peripherieressourcen von DSPs so weit verbessert, dass sie problemlos zwei Motoren steuern können und sogar das Potenzial für mehr bieten. Erste Versuche mit einem einzigen DSP-Controller zur Steuerung von zwei Drehstromwechselrichtern haben die Machbarkeit gezeigt; der Prototyp umfasst ein komplettes System und eine DSP-Schnittstelle zum Ansteuern von zwei Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs). [ALIGN=center]Der Hardware-Versuchsaufbau zur Steuerung von zwei PMSMs mit einem einzigen DSP besteht aus zwei Motoren, zwei Wechselrichterplatinen und einer DSP-Entwicklungsplatine (TMS320F280eZdsp).[/ALIGN] Die Umstellung von der Skalar- auf die Vektorsteuerung kann die Betriebseffizienz von Motoren deutlich verbessern und den Einsatz kleinerer, kostengünstigerer Motoren ermöglichen, was zu Energieeinsparungen beiträgt. Die Vektorregelung kann geeignete Magnetfeldvektoren erzeugen, um Drehmoment und Drehzahl eines Motors zu steuern. Allerdings erfordert sie auch erhebliche Rechenleistung, um die Regelalgorithmen zu implementieren, die für die korrekte Pulsweitenmodulation (PWM) jedes einzelnen Motors notwendig sind. Aktuell benötigt jeder Wechselrichter in typischen Motorsteuerungsanwendungen 20 bis 25 MIPS Rechenleistung. Zusätzlich benötigt jeder Wechselrichter ein separates Encoder-Schnittstellenmodul und sechs PWM-Ausgänge. Frühere Methoden: Diese hohen Anforderungen führten oft dazu, dass jedes Motorsystem einen separaten DSP zur Steuerung benötigte. Dies war bei Anwendungen mit nur einem Motor kein großes Problem; bei den meisten Anwendungen mit mehreren Motoren erwies es sich jedoch als aufwendig und kostspielig. Typische Anwendungsbereiche für mehrere Motoren sind Baumaschinen, HLK-Anlagen, Automobile und viele andere. Moderne DSPs bieten heute eine Rechenleistung von 100 bis 150 MIPS, wodurch die Möglichkeit, mehrere Motoren mit einem einzigen DSP zu steuern, deutlich verbessert wird. Tatsächlich wurden bereits DSPs für solche Anwendungen entwickelt, die über mehrere integrierte Encoder-Schnittstellen und zahlreiche PWM-Ausgänge verfügen. [ALIGN=CENTER]Das Blockdiagramm des Zweimotor-Steuerungssystems zeigt die Encoder-Signaleingänge der beiden Motoren und die Phasenansteuerung der beiden Wechselrichter.[/ALIGN] Hardwarebeschreibung: Die Hardware des Zweimotor-Steuerungssystems besteht aus zwei dreiphasigen PMSM-Motoren, die jeweils an einen dreiphasigen Spannungszwischenkreis-PWM-Wechselrichter angeschlossen sind. Alle Wechselrichter werden von einem einzigen DSP-Controller (Texas Instruments TMS320F2808) gesteuert. Ein integrierter Analog-Digital-Wandler erfasst Phasenstrom und Zwischenkreisspannung sowie weitere Daten der beiden Wechselrichter. Ein im DSP-Controller integriertes Encoder-Schnittstellenmodul empfängt die Encoder-Rückmeldungen. Integrierte Peripherieschnittstellen für die Leistungselektronik ermöglichen eine nahtlose Anbindung der Wechselrichter und vereinfachen so das Systemdesign. Zur Erzeugung der von den beiden dreiphasigen Spannungszwischenkreis-Wechselrichtern benötigten Signale verwendet die Hardware sechs Paare von PWM-Ausgängen. Die Betriebsfrequenz der PWM-Kanäle beträgt 20 kHz, und die für die PWM-Modulation erforderlichen Vergleichswerte werden zyklusweise aktualisiert. Die Hauptsteuerungsplattform ist ein DSP-Entwicklungsboard (TMS320F280eZdsp). Der sinusförmig kommutierte, achtpolige Drehstrom-Permanentmagnetmotor (Applied Motion A0100-103-3-000) verwendet einen 2000-Linien-Encoder. Die On-Chip-QEP-Schnittstelle (Quadratur-Encoder-Pulse) des DSP ist mit dem Encoder jedes Motors verbunden. Die modulare, in C geschriebene Software ermöglicht die zukünftige Erweiterung zu einer Treiberanwendungssoftware mit Interrupt-Service-Routinen (ISRs). Das Hauptprogramm, bestehend aus einer Hintergrundschleife, initialisiert lediglich Peripheriegeräte wie die Phasenregelschleife (PLL), den Watchdog-Timer, die Interruptsteuerung und den Ereignismanager. Der restliche Code enthält PWM-Interrupt-Service-Routinen. Die Timing-Interrupts jedes Motorsystems rufen die Interrupt-Service-Routine in jedem PWM-Zyklus auf. Die unabhängige Ansteuerung zweier Drehstrom-PMSM-Motoren erfordert die Implementierung zweier Sätze von Feldsteuerungsalgorithmen. Alle Berechnungen für beide Motoren müssen innerhalb jedes PWM-Zyklus abgeschlossen werden, wodurch Softwaremodule wiederholt aufgerufen werden. Daher ist es notwendig, die Ein- und Ausgänge jedes Moduls klar zu definieren, um die Wiederverwendung der Module in verschiedenen Systemen zu ermöglichen. Alle Berechnungen verwenden Festkomma-Algorithmen, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Motorsteuerungsalgorithmus: Die bekannte Carke-Park-Transformation bildet die Grundlage des feldorientierten Regelungsalgorithmus (FOC). Dieser transformiert den dreiphasigen Stromvektor von einem stationären dreiphasigen Koordinatensystem in ein rotierendes zweiphasiges Koordinatensystem. Unabhängige PID-Regler verarbeiten anschließend die transformierten Quadraturkomponenten. Schließlich transformiert der PWM-Schaltwandler, basierend auf dem aus der Encoder-Rückmeldung berechneten Flusswinkel, den Ausgang des PID-Reglers zurück in das stationäre dreiphasige Koordinatensystem. Das PID-Modul steuert das Tastverhältnis des PWM-Reglers, um die an den Motor angelegte Spannung anzupassen. Der an der Motorwelle angeschlossene fotoelektrische Encoder gibt Quadraturimpulse aus, die vom QEP-Modul empfangen werden, um die Rotorposition und die Drehzahl zu berechnen. [align=center]Das interne Strukturdiagramm des TMS320F 28XX zeigt die Peripherieschnittstelle, den Peripheriebus und den On-Chip-Speicher. Die sechsphasige PWM-Schnittstelle und zwei Sätze von QEP-Schnittstellen am oberen Ende der Peripherieschnittstelle ermöglichen es einem einzelnen DSP, zwei Motoren zu steuern. Basierend auf dem oben beschriebenen Algorithmus muss das PID-Regelmodul zur Drehzahlregelung den Wert des PWM-Komparatorregisters berechnen. Alle Algorithmen laufen mit einer Frequenz von 20 kHz und aktualisieren das PWM-Tastverhältnis in jedem PWM-Zyklus. Dieser Prozess wird für den zweiten Motor wiederholt, wodurch die vollständige Steuerung von zwei unabhängigen Motoren mit einem einzigen DSP-Controller möglich ist. Entwicklung von Festkomma-Algorithmen: Eine spezielle Festkomma-Funktionsbibliothek namens IQMATH optimiert die Algorithmenleistung basierend auf DSP-Hardware und Compiler. IQMATH besteht aus einem hochoptimierten Satz hochpräziser mathematischer Funktionen und ermöglicht die nahtlose Konvertierung von Gleitkomma-Algorithmen in DSP-Festkomma-Code mit C/C++. IQMATH-Programme ermöglichen das Schreiben von Festkomma-Programmen in einem Gleitkomma-ähnlichen Format und behandeln Sättigungs- und Überlaufprobleme, die bei der Festkomma-Programmierung zusätzliche Berücksichtigung erfordern. Darüber hinaus eignen sich IQMATH-Programme besonders für rechenintensive Echtzeitanwendungen, die extrem hohe Ausführungsgeschwindigkeit und Rechengenauigkeit erfordern. [align=center] Die feldorientierte Steuerung jedes Motors verwendet Quadratur-Encoderimpulse und Clarke-Park-Transformationen. [/align] Basierend auf den Definitionen der verwendeten Softwaremodule kann eine spezielle Datenstruktur erstellt werden, die die mehrfache Wiederverwendung von Softwaremodulen ermöglicht. Dadurch können Zielmodule bei Bedarf wiederholt referenziert werden, um das Gesamtsystem zu implementieren. In einem Dual-Drive-System genügt die einfache Definition geeigneter Datentypen, um die benötigten Module zweimal zu referenzieren. Die Implementierung von Dual-Algorithmen benötigt ca. 4 kW Programmspeicher und 0,5 kW Datenspeicher aus den 63 kW Flash- und 18 kW RAM-Speicherressourcen des DSP-Chips. Der Multi-Wechselrichter-Controller benötigt für jeden Motor dedizierte Pins zum Empfang von Fehlererkennungssignalen. Das Fehlermanagement ist ein wichtiger Aspekt bei Multi-Wechselrichter-Antrieben. Herkömmliche DSP-Controller, die einen einzelnen Wechselrichter betreiben, verfügen typischerweise nur über ein einziges Fehlermanagementsystem, das den Controller im Fehlerfall abschaltet. Multi-Wechselrichter-Controller benötigen für jeden Motor dedizierte Pins zum Empfang von Fehlererkennungssignalen. Beispielsweise werden sechs Pins benötigt, um die Sensoren für Überspannung, Überstrom und Übertemperatur jedes der beiden Motoren anzusteuern. Drei Pins eines einzelnen Motors sind mit einem gemeinsamen Logik-OR-Modul verbunden. Ändert sich der Pegel eines Pins von niedrig auf hoch oder umgekehrt, wird ein Interrupt ausgelöst, der den PWM-Ausgang des entsprechenden Motors abschaltet. Experimentelle Ergebnisse: Die Softwareentwicklung des Zweimotor-Antriebssystems erfolgte schrittweise, wodurch die Fehlersuche deutlich beschleunigt wurde. Der inkrementelle Softwareentwicklungsprozess testet jeweils nur wenige Softwaremodule und geht erst nach Abschluss des vorherigen Schritts zum nächsten über. Das Endergebnis ist die erfolgreiche, unabhängige Steuerung jedes Antriebs. Die benötigte MIPS-Rechenleistung liegt deutlich unter den 100 MIPS des DSP-Controllers, sodass ausreichend Bandbreite für die einfache Implementierung zusätzlicher Funktionen zur Verfügung steht. Während die Vektorsteuerung von PMSM-Motoren für ihre überlegene Leistung bekannt ist, kann ein herkömmlicher Controller nur mit begrenzter Bandbreite und begrenzten On-Chip-/Peripherieressourcen eine Hochleistungssteuerung für einen einzelnen Motor erreichen. Darüber hinaus erhöht die separate Ansteuerung jedes einzelnen Motors die Gesamtsystemkosten. Die neueste Generation von DSP-Controllern begegnet diesem Kostenproblem durch leistungsstärkere Rechenkapazitäten, mehrere Encoder-Schnittstellen und zahlreiche PWM-Ausgänge, wodurch die Ansteuerung von zwei oder mehr Motoren ermöglicht wird. Der DSP-Kern vereinfacht in Kombination mit den erforderlichen Peripherieschnittstellen den Entwicklungsprozess und bietet Optionen zur Implementierung zusätzlicher Antriebsfunktionen. Kann ein einzelner DSP-Controller bis zu vier Drehstrom-Wechselrichter betreiben, lassen sich die Kosten und der Platzbedarf von Maschinen und Transportmitteln mit mehreren Motoren drastisch reduzieren.