Optimale Motoransteuerung mit intelligenter Ein-Chip-Lösung

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Automotive-Systeme benötigen Reservespeicher

Zusätzlich ist in Automotive-Systemen ein Speicher-Overhead von 20 bis 30 Prozent für Erweiterungen und Updates vorzusehen. Diagnosefunktionen schützen das IC und den kompletten Antrieb in allen Betriebsfällen. Hierzu gehören: Bordnetz- und IC-Spannungsüberwachung mit Komparatoren und zugeordneten Interrupts, Hardware-Überwachung der internen Spannungsregler mit Kurzschlusserkennung, digitaler Watchdog mit Software-Trigger, Window Watchdog mit integriertem unabhängigem Hilfsoszillator, Programmspeicher mit Error Correction Coding (ECC) sowie ein softwarebasierter System-Selbsttest.

Speziell für den Motorbetrieb und Motorbrücke sind integriert: Bridge-Interlocking zum Vermeiden von überlappendem Schalten der Brückentransistoren, Überstromabschaltung mit programmierbarer Filterzeit, Temperatursensor für die automatische Übertemperaturabschaltung, Spannungsüberwachung der Ladungspumpe, per Software auslesbarer Temperatursensor sowie ein Timer-Modul für Kommutierungstiming und Überwachung.

Viele physikalische Größen müssen ständig erfasst werden

Die maßgeblichen physikalischen Größen müssen unter Berücksichtigung der jeweiligen Zeitkonstanten durch Hardware und Software erfasst werden: Thermische und mechanische Zeitkonstanten von Motor und Last, Transienten der Versorgungsspannung, Kommutierungszeit, elektrische und mechanische Drehzahl, Bus-Kommunikation, Abtastraten von Drehzahl- und Stromregler, Filterzeiten/Reaktionszeiten des Over-Current-(OC)-Monitoring und -Interlocking, Softwareausführungszeit und Systemtakt.

Beim Entwickeln und Qualifizieren von Automotive-ICs müssen viele Normen und Standards beachtet werden. Die Eingangsspannungsregler müssen Bordnetz-Standards genügen, Grenzwerte für die Ein- und Abstrahlung gemäß EMV-Richtlinien müssen eingehalten und Anforderungen bezüglich ESD und System-ESD erfüllt werden. Für die Automotive-Qualifikation muss das IC den verschiedenen Tests des AECQ100-Standards unterzogen werden. Ist das Chip-Kommunikationsinterface an einer übergeordneten ECU im Bordnetz angeschlossen, müssen entsprechende Conformance Tests für die physikalische Schicht und Protokollschicht der Bus-Schnittstelle durchgeführt werden.

Besonders kosteneffizient durch vollständige Integration

Die gesamten Materialkosten eines Aktuators (Bill-Of-Material, BOM) stehen besonders bei der mehrfachen Verwendung einer Anwendung im Fokus. Bereits im Vorfeld der Entwicklung werden Mechanik, Elektronik, Software und Produktionseigenschaften evaluiert. Je nach gewähltem Antrieb und dessen Wiederverwendbarkeit oder Skalierbarkeit wird bei der Motoransteuerung ein Fokus auf die Flexibilität und Performance der Elektronik oder des Chips gelegt. Eine vollständig integrierte Lösung enthält einen internen Mikrocontroller, Kommunikationsschnittstellen, Spannungsversorgung, Brückentreiber und Transistoren (MOSFET). Die Mehrkosten der Integration werden durch den Wegfall sonst benötigter externer Komponenten aufgewogen.

Ein hoher Integrationsgrad kann auch beim Energieverbrauch punkten. Eine im IC integrierte Spannungsversorgung ist für den definierten Arbeitsbereich optimal ausgelegt. Zudem kann die Leiterplatte kleiner ausfallen als bei einem diskreten Schaltungsaufbau. Der Einsatz eines Standard-Mikrocontrollers bietet neben technischen Vorteilen auch die Möglichkeit, Kosten zu senken. Beispielsweise durch das Wiederverwenden bewährter Software. Dazu können die Initialisierungsroutinen ebenso zählen wie Algorithmen zur Motoransteuerung.

Software sollte standardkonform programmiert sein

Im professionellen Umfeld fordern Kunden meist eine Software, die nach einem zertifizierten Standard programmiert wurde. TDK-Micronas hat mit seinem Industriepartner NewTec eine auf den HVC 4223F zugeschnittene Firmware zur Ansteuerung von BLDC- und Stepper-Motoren entwickelt, die die benötigten Standardaufgaben realisiert. Damit steht industriellen Anwendern eine zertifizierte Lösung zur Verfügung.

Die eingebauten Diagnosemöglichkeiten tragen ebenfalls signifikant zur Kostenreduktion bei. Das Auslesen des Systemzustandes ermöglicht eine straffere Auslegung der notwendigen diskreten Bauelemente. Zudem wird die Zuverlässigkeit des Systems über die Lebenszeit vergrößert, da Parameter beziehungsweise deren Veränderungen im analogen wie auch im Motorkontrollbereich genau bestimmt und bei Bedarf durch die intelligente und flexible Firmware nachgeregelt werden können.

Entwickler können sich auf den Chip konzentrieren

Der HVC 4223F der Firma TDK-Micronas ist eine vollständig integrierte Lösung für smarte Aktuatoren. Der Chip benötigt nur wenige externe Komponenten, ist flexibel einsetzbar und leicht in neuen Anwendungen wiederverwendbar. Gegenüber einem – wenn auch nur teilweise – diskreten Aufbau bietet er klare Vorteile: Entwickler können sich auf den Baustein konzentrieren, die Software/Firmware ist aus einem Guss, größtenteils wiederverwendbar und auch einfach zu zertifizieren. Der Qualifikationsaufwand reduziert sich signifikant, was die Komplexität des PCB-Designs, den Arbeitsaufwand sowie die resultierende Zuverlässigkeit betrifft.

Vom niedrigeren Energieverbrauch und der geringeren Wärmeentwicklung der smarten Aktuatoren profitiert die Lebensdauer der Anwendung. Zusammen mit der erweiterten Diagnosefähigkeit wird der Aktuator im Hinblick auf Kosten, Funktion und Lebensdauer insgesamt verbessert. Der vollständig integrierte HVC 4223F bringt auf ganzer Linie Vorteile – von der Entwicklung bis hin zum Phase-Out und anschließendem Transfer in neue Anwendungen.

* Rüdiger Laschewski ist Manager Marketing Automotive & Industrial von TDK-Micronas Adriano De Rosa ist IC Architekt von TDK-Micronas

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