Hohe Leistung bei tiefen Kosten

Klar – wer eine Motorsteuerung ohne Platzprobleme in kleinen Stückzahlen entwickeln muss, der kann sich an dem riesigen Controllermarkt frei bedienen und hat wohl eher die Qual der Wahl. Anders sieht es aus, wenn die Parameter eingegrenzt werden. Hier empfiehlt sich die für «Motorcontrol» spezifizierte I-Serie von NEC Electronics.

Eine Auswahl typischer Applikationen, die durch ihre Parameter spezielle Lösungen erfordern, macht deutlich, weshalb diese die Controllerwahl anspruchsvoller gestalten:

• Batteriebetriebene Antriebslösungen zeigen im stromsparenden Standby-Modus die Ladungskontrolle an einem kleinen Display an
• Eine Dosierpumpe darf nur minimale Abmasse haben und erfordert eine exakte Drehzahlregelung baukleiner BLDC-Motoren (Brushless direct current)
• Eine Kaffeemaschine braucht in grossen Stückzahlen einen Controller, der Mahlwerk, Dosierpumpen, Kommunikation und Benutzerführung steuern kann. Dazu sollte er möglichst hoch integriert sein, um Kosten und Platz zu sparen
• Die Steuerung eines batteriebetriebenen Kleinstmotors muss viel Leistung bringen, aber möglichst wenig Strom aufnehmen

Leistung ist genügend vorhanden

Wer sich schon vor 20 Jahren mit «Motorcontrol» befasst hat, kann sich bestimmt noch daran erinnern, mit wieviel MIPS man damals BLDC-Motoren geregelt hat. Die Rede war da vielleicht von 2 bis 3 MIPS – die Aufgabenstellung war eine exakte 3-achsige Bahnsteuerung im 250-μs-Takt plus noch ein wenig drum herum. Klar musste optimiert werden – die Leistung reichte aber gut aus. Bei 13 MIPS muss heute für die gleiche Aufgabe sicher nicht mehr gross getrickst werden und es bleibt noch viel Performance übrig.

Für eine BLDC-Motorsteuerung benötigt man MOSFETs, Optokoppler und einen modernen Mikrocontroller mit IRQ-fähigen Eingängen, ADC, PWM, 16-Bit-Timer, einige I/O und mindestens eine Kommunikationsschnittstelle. Die K0R/Ix3 enthalten alle zur Motorsteuerung nötigen Elemente wie einen Operationsverstärker, Komparatoren und Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler (2 μs) mit vorgeschaltenem OPAmp.

Ausserdem gehören, je nach Type, ein 2- oder 3-Phasen- Timer (16-Bit-Timer inkl. Totzeit-Generierung) und ein Watchdog-Timer zur Ausstattung. Die geringe Zahl von extern notwendigen Komponenten reduziert nicht nur die Bauteilekosten, sie hilft dem Anwender auch, Platz auf der Systemplatine einzusparen.

Der Trend geht zu BLDC-Motoren

Das Spektrum der Motorcontroller reicht vom simplen Ein/Aus bürstenkommutierter Motoren bis zur komplexen Bahnsteuerung in Mehrachssystemen mit BLDC. Dazwischen ist jede Kombination denkbar, somit ist Flexibilität gefragt. Der Trend geht nach wie vor zu den BLDC-Motoren. Sie sind kleiner, robuster, effizienter und lassen mehr Freiheiten für die Regelung zu.
Die auf Motorcontrol spezialisierte I-Serie von NEC Electronics bietet mit ihrem lückenlosen Spektrum von 8, 16 und 32 Bit für jede Aufgabenstellung eine passende Lösung. Im Bereich der «16-Biter» präsentiert Gleichmann Electronics auf einen Schlag gleich 19 neue 16-Bit-All-Flash-Mikrocontroller von NEC Electronics.
Die 78 K0R/Ix3-Serie verbindet die tieferen Kosten im Vergleich zu 32 Bitmitderbedeutendhöheren Performance im Vergleich zu 8-Bit-Controllern. Die neuen MCUs basieren auf einem 78 K0R-CPUKern, der bei einer Taktfrequenz von 20 MHz bis zu 13 Millionen Befehle pro Sekunde abarbeiten kann. Die Leistungsaufnahme beträgt dabei gerade einmal 1,8 mW pro MIPS. Als interne Speicher stehen dem Anwender je nach Bausteinvariante 16 bis 64 KByte Flash und 1 bis 3 KByte RAM zur Verfügung. Je nach Typ werden die Bausteine in 30- bis 64-poligen SSOP- bzw. LQFP-Gehäusen angeboten.

Optimale Lösung für anspruchsvolle Antriebslösungen

Durch die Erweiterung der NEC-Electronics- Standardcontroller auf den Anforderungen, die Motoransteuerungen haben, eröffnet sich ein breites Anwendungsfeld. Durch die geringe Leistungsaufnahme bieten diese MCUs eine optimale Lösung für anspruchsvollere, auch batteriebetriebene Antriebslösungen auf kleinstem Raum. Aufgrund der hohen Performance im Verhältnis zum günstigen Preis sind auch hohe Stückzahlprojekte wirtschaftlich zu fertigen.
Die neuen MCUs erlauben die Feinregelung verschiedener Typen von 1-, 2- und 3-Phasen-Motoren. Die Flash-Konfigurationsmöglichkeiten der gesamten Serie erlauben eine flexible Aktualisierung der Software auch nach Einbau der MCU auf der System-platine. Hierdurch findet eine Beschleunigung bei der parallelen Entwicklung von Hard- und Software statt.

Es gibt zahlreiche Kits und Tools

Zur Evaluierung und Entwicklung stehen Anwendern mit dem MINICUBE2 (On-Chip-Debugger), dem IECUBE-Emulator (Full Ice), IAR-Compiler-Suite sowie zahlreichen Starter- Kits und Software-Tools ein umfangreiches Angebot an Development-Tools zur Verfügung. Es ist ein 24-V- und ein High-Voltage- Evaluationskit verfügbar, mit demman leicht erste Schritte gehen kann. Datenblätter der neuen 78 K0R/Ix3-MCU-Familie sind bei Gleichmann Electronics ab sofort erhältlich, erste Muster werden voraussichtlich ab Mai 2008 verfügbar sein.

Sichere direkte Ansteuerung von IGBT- und MOSFET-Gates

Zum Design des Leistungsteils hat NEC Electronics eine breite Palette von MOSFETs und Optokopplern zu bieten. Speziell zu erwähnen sind die neuen Hochgeschwindigkeits-Optokoppler PS 9552 und PS 9553. Sie ermöglichen eine schnelle und sichere direkte Ansteuerung von IGBT- und MOSFET-Gates. Ein Ausgangsstrom von 2 A/0,5 A, eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 1 MBit/s, eine Isolierspannung von 5000 VRMS, ein Isolationsabstand grösser 0,4 mm, eine äussere Kriechstrecke von grösser 8 mm und eine minimale Common-Mode-Ratio (CMR) von 15 kV/`s sind die wichtigsten Eckdaten.
Die für eine schnelle und vor allem sichere direkte Ansteuerung von IGBT- und MOSFETGates konzipierten Bausteine setzen sich aus einem optisch gekoppelten Isolator mit einer GaAlAs-LED und einem Hochspannungs-/ Hochstromkreis zusammen. Dank einem weiten Betriebsspannungsbereich zwischen 15 und 30 V und einem Betriebstemperaturbereich von –40 bis +100 °C eignet sich der PS 9552/PS 9553 für den Einsatz in unterschiedlichsten Applikationen wie z.B. ACoder DC-Motortreibern, Frequenzkonvertern, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Induktionsöfen usw.

Infoservice

Autor: Steffen Bürkle
Field Application Engineer/
Business Development Manager

Gleichmann Ultratec AG
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Dieser Artikel erschien in der Fachzeitschrift Polyscope Ausgabe 7/2008.