Motormanagement-Wahnsinn
Die MCUs von STMicroelectronics sind für die Motorsteuerung optimiert und bieten Entwicklern Effizienz-, Größen- und Kostenvorteile.
Haben Sie sich jemals gefragt, wie viele Motoren Sie zu Hause besitzen und benutzen? Wahrscheinlich nicht, und interessiert es Sie wirklich? Aber wenn Sie eine informelle Bestandsaufnahme machen würden, wären Sie wahrscheinlich überrascht. Ihr Zuhause ist voll mit Motoren. Klimaanlagen (A/C = Air Conditioning), Waschmaschinen, Trockner, Kühlschränke, Poolpumpen und viel zu viele kleine Motoren, um sie zu zählen (Rasierapparate, Haartrockner, Deckenventilatoren, Küchengeräte, Elektrowerkzeuge und sogar die Antriebsmotoren in Ihrem DVD- oder CD-Player, falls Sie noch einen besitzen.
In den meisten Fabriken, Prozesssteuerungsanlagen und Bürogebäuden gibt es jedoch noch mehr Motoren für Heizung, Lüftung und Klimaanlagen (HVAC = Heating, Ventilation and Air Conditioning), Werkzeugmaschinen, Roboter, Pumpen, automatisierte Maschinen spezieller Bauart, Gabelstapler und Hunderte, vielleicht Tausende darüber hinaus. Motoren bestimmen das Geschehen in der Industrie und in vielen anderen Bereichen wie Automobilbau, Luft- und Raumfahrt und Militär.
Aber was treibt all diese Motoren an? Natürlich Elektronik, aber welche Art? Ein eingebetteter Mikrocontroller ist normalerweise das Herzstück, zusammen mit einigen Hilfsschaltungen. Jetzt hat STMicroelectronics einige neue MCUs entwickelt, die sich dieser Aufgabe annehmen und einige dringend benötigte Vorteile wie höhere Effizienz, geringere Größe und Entwicklungsgeschwindigkeit bieten.
Die dreiphasige Herausforderung
Viele der Motoren, die gesteuert werden müssen, sind dreiphasig. Dazu gehören die beliebten bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDCs = Brush-Less Direct Current). Die Motorwicklungsphasen werden durch Puls-Weiten-Modulation (PWM) angesteuert, die die Signale entwickelt, die die Geschwindigkeit, Frequenz oder andere Variablen ändern. Die übliche Konfiguration besteht aus einer Micro-Controller Unit (MCU), einem speziellen Motortreiber-IC und den Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor (MOSFETs) oder Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs), die den Strom und die Spannung an jede Motorwicklung liefern.
In der Regel ist es wünschenswert, alle diese Integrierte Schaltkreise (ICs = Integrated Circuits) und zugehörigen Teile in einem möglichst kleinen Gehäuse unterzubringen, das in die Motorposition paßt. Das war in den vergangenen Jahren ein großes Problem, aber jetzt gibt es viel bessere Möglichkeiten.
STMicroelectronics hat zum Beispiel kürzlich eine neue Reihe von MCUs angekündigt, die die oben genannten Vorteile bieten. Das Spitzenprodukt ist der STSPIN32F060x in einem 64-Pin System-in-Package (SiP). In diesem Hybrid-Gehäuse ist ein 32-Bit Arm Cortex MCU-M0 Prozessorkern verborgen. Ebenfalls im SiP integriert ist ein dreifacher Halbbrücken-Gate-Treiber, der die externen MOSFETs und IGBTs ansteuert. Diese Treiber können ein Eingangssignal liefern, das für die meisten Anwendungen geeignet ist.
Details über diese MCU
Im Inneren des STSPIN32F061 befindet sich die STM32F031x6-MCU von ST.
Es handelt sich um einen typischen Arm 32-Bit-Cortex, der mit 48 MHz läuft. Sie bietet 4-kB-SRAM und 32-kB-Flash-Speicher. Zu den weiteren Merkmalen gehören sechs Allzweck-Timer und eine erweiterte Timer-Steuerung für die PWM-Erzeugung, ein CRC-Generator (Cyclic Redundancy Check), bis zu 10 Kanäle eines 12-Bit-ADC (Analog Digital Converter = Wandler), I²C, Universal Synchronous and Asynchronous Receiver-Transmitter (USART) und Serial Peripheral Interface (SPI) sowie bis zu 21 General-Purpose In/Outputs (GPIOs).
Die Gate-Treiber
Im STSPIN32F061-Gehäuse sind dreiphasige Gate-Treiber enthalten. Die Ansteuerung der Gates von Hochspannungs-Leistungs-MOSFETs oder IGBTs ist eine knifflige Angelegenheit – die Gate-Treibersignale müssen schnell sein, einen hohen Strom verarbeiten und den richtigen Spannungspegel liefern. Der interne Treiberteil kann bis zu 600 V verarbeiten, und, was besonders wichtig ist, die Gate-Stromfähigkeit des Bausteins beträgt 1 A/0,85 A (Source/Sink = Quelle/Senke). Jeder Gate-Treiber-Ausgang stammt von einer Halbbrücke, die mit N-Kanal-MOSFETs oder IGBTs kompatibel ist. Sie können die High-Seite oder die Low-Seite der Halbbrücke ansteuern.
Andere Version
Ein ähnliches IC, das eine Überlegung wert ist, ist der STSPIN32F0 von ST (siehe Abbildung). Auch er integriert die Arm-MCU und dreiphasige Halbbrückenausgänge. Die Betriebsspannung beträgt 8 bis 45 V. Der Chip enthält auch Operationsverstärker, um Sensor-Feedback von den BLDC-Motorwicklungen zu akzeptieren. Dies ermöglicht eine feldorientierte Steuerung (FOC) und andere Bewegungssteuerungsschemata.
Die STSPIN32F0-Serie hat einige wichtige Unterschiede im Vergleich zum STSPIN32F061.
Zum einen verfügt die STSPIN32F0-Serie über ein integriertes Power-Management (nicht vorhanden in der HV-Serie [Hoch-Volt]). Zweitens hat sie eine andere Gate-Source/Sink-Stromfähigkeit. Während beide MCUs und Halbbrückentreiber integrieren, werden die Hoch- und Niedervolt-Bausteine in unterschiedlichen Halbleiterprozessen hergestellt, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führt.
Zusammenfassung
Wenn Sie ein komplettes dreiphasiges BLDC-Motor-Treiber-Produkt entwickeln oder dies vorhaben, werden Sie mit diesen STMicroelectronics-Bausteinen wahrscheinlich schneller und einfacher zum Ziel kommen, als Sie denken. Zusätzlich zu den ICs bietet das Unternehmen Entwicklungsboards und jede Menge Software an, die Ihnen dabei helfen, Ihren Prototyp schneller zur Serienreife zu bringen.
Zum Beispiel unterstützt das Motor Control SDK (Software-Development-Kit) viele Demos für die gesamte Familie der STSPIN32-Bausteine und ermöglicht es dem Anwender, in wenigen Minuten C-Code für FOC zu generieren. Mit diesem leistungsstarken Tool können Ingenieure sehr schnell einen Motor drehen lassen und die Leistung der Bausteine und ihrer eigenen Lösung bewerten, was die Markteinführungszeit verkürzt. Für weitere Informationen klicken Sie bitte hier.
Abbildung 1. STSPIN32F0 System-In-Package Blockdiagramm
Der STSPIN32F0 von STMicroelectronics integriert eine Arm-MCU und dreiphasige Halbbrückenausgänge und verfügt über Operationsverstärker, die Sensorfeedback von BLDC-Motorwicklungen integrieren und so eine feldorientierte Steuerung (FOC) ermöglichen.