Motorbesturing SoC voegt MCU-kern toe om ontwerpflexibiliteit te vergroten

Energieconversie-efficiëntie heeft altijd een belangrijke rol gespeeld bij het ontwerpen van elektronica en in het geval van elektromotoren vindt de conversie twee keer plaats:eerst om de elektriciteit op te wekken die nodig is om de motor aan te sturen en vervolgens om elektriciteit om te zetten in een drijvende kracht. Het elimineren van het door motoren geproduceerde geluid is een van de meest voorkomende problemen waarmee elektronica-ontwerpers bij dit soort toepassingen worden geconfronteerd.

Fabrikanten hebben steeds meer de neiging om de eigenlijke motorbesturingseenheid te beschouwen als een functioneel basisblok in plaats van een diversifiërend kenmerk van het eindproduct; dit is vooral duidelijk bij het overwegen van hulpsystemen zoals waterafvoerpompen of ventilatoren die normaal in huishoudelijke apparaten worden aangetroffen. Infineon Technologies biedt niet alleen een breed portfolio van discrete componenten, maar biedt ook geïntegreerde oplossingen die omvormertoepassingen vereenvoudigen, waardoor R&D-kosten en de stuklijst (BOM) voor het totale aantal gebruikte componenten worden geminimaliseerd.

De nieuwe IMC300 combineert bijvoorbeeld de iMOTION Motion Control Engine (MCE)-motor met een extra microcontroller op basis van de Arm® Cortex®-M0-kern. Het IMC300-portfolio is gericht op aandrijvingen met variabele snelheid die een hoge toepassingsflexibiliteit vereisen.

CONTROLLERS

Het regelen van de snelheid en richting van een motor veronderstelt de werkingsmodus van de gebruikte motor en vereist verschillende technieken en circuits, afhankelijk van het type motor en de verschillende toepassingsvereisten. Het doel van een motorcontroller is om handmatig of automatisch te kunnen ingrijpen op de elektromotor (start-stop, vervroeging-inversie, snelheid, torsie en beveiliging tegen spanningsoverbelasting). De besturing van elektromotoren vereist elektronische schakelingen, die tot een paar jaar geleden werden gemaakt met discrete componenten vanwege de bijbehorende spanningen en stromen. Motorbesturing loopt tegenwoordig voorop bij onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten om efficiënte micro-elektronische oplossingen op twee niveaus te bereiken:de computersoftware en vermogenselektronica.

iMOTION-TECHNOLOGIE

iMOTION identificeert een productfamilie die een kant-en-klaar en gecertificeerd motorbesturingsalgoritme integreert met de hardware voor productief gebruik, met power factor correction (PFC) als optie verkrijgbaar. Bij vermogenselektronica-oplossingen voor motorbesturing is het noodzakelijk om te zorgen voor flexibiliteit en aanpasbaarheid aan de doeltoepassing van de klant, die vaak veel verder gaat dan de configuratie van de betreffende motor (Afbeelding 1 ).

Figuur 1 : iMOTION stimuleert integratie in motorbesturing. (Afbeelding:Infineon Technologies)

iMOTION IC's integreren alle besturings- en analoge interfacefuncties die nodig zijn voor sensor-field-oriented control (FOC) motorbesturing met behulp van DC-shuntstroommetingen of DC-aansluiting. Bovendien bevatten ze het gepatenteerde algoritme van Infineon, dat softwarecodering elimineert uit het ontwikkelingsproces van het motorbesturingsalgoritme.

iMOTION-oplossingen passen in huishoudelijke apparaten en kleine schijven zoals ventilatoren. De oplossingen combineren  controller, SmartDrive en SmartIPM-apparaten.

Het SmartDrive-apparaat is geïntegreerd met de gate-driver (MOSFET's of IGBT's kunnen worden gebruikt). Het hoogste integratieniveau wordt bereikt in de SmartIPM-familie, die de MCE combineert met de gate-driver en een driefasige volledige brug, wat resulteert in een compleet invertersysteem in één klein PQFN-pakket.

De IC's in de iMOTION IMC300-familie van Infineon zijn gericht op de regulering van motorregelsystemen met variabel toerental en integreren een extra, door de gebruiker programmeerbare microcontroller (Afbeelding 2 ). De dual-core controller integreert de vereiste hardware, software en gebruikersprogramma om een ​​permanent-magneet synchrone motor (PMSM) te regelen. Het maakt een zeer flexibel motorbesturingssysteem mogelijk tegen de laagste systeem- en ontwikkelingskosten.

Figuur 2 : iMOTION Motion Control Engine plus ARM Cortex-M0-diagram en functies (Afbeelding:Infineon Technologies)

Beveiligingsfuncties van de IMC300 omvatten onder-/overspanning, overstroom, te hoge temperatuur, motorgate kill, rotorvergrendeling, foutrapportage, minimale dode tijd en doorschieten. Besturingsfuncties omvatten s inusoïdale FOC, sensorisch/sensorloos, drie- of tweefasige modulatie, veldverzwakking, zero vector-remming, geïntegreerde PFC en geïntegreerde bootstrap.

De IMC300 en zijn voorganger, de IMC100, delen dezelfde implementatie van MCE 2.0 en bieden een kant-en-klare oplossing met PFC-controle, meerdere beveiligingsfuncties en een scriptengine.

Door MCE voor motorbesturing toe te passen, kunnen klanten zich concentreren op de systeemtoepassing, die volledig onafhankelijk werkt op de ingebouwde Arm-microcontroller. Die MCU biedt een flexibele set randapparatuur en kan een groot aantal doelen dienen, zoals systeemfuncties, specifieke communicatie of schijfbewaking (Afbeelding 3 ).

Figuur 3 : IMC300-circuittoepassing (Afbeelding:Infineon Technologies)

"Het belangrijkste idee hierachter is om het de klant gemakkelijk te maken om de motor te draaien", zegt Ingo Skuras, productmarketingmanager voor iMOTION bij Infineon Technologies. "We zien al enkele jaren een trend in de richting van elektronische besturing van de meeste motoren - niet alleen aan of uit, maar ook aandrijvingen met variabele snelheid, zoals ze worden genoemd. En daar hebben we oplossingen voor, die de klant in principe kan gebruiken zonder enige programmering:configureer ze gewoon voor het respectievelijke motorgebruik en dan is het aan de gang. Meestal duurt het een half uur tot een uur om dit te bereiken.”

De MCE integreert alle benodigde hardware- en softwarecomponenten, evenals alle noodzakelijke beveiligingsfuncties, wat resulteert in een kleinere stuklijst. Het ondergaat continue verbeteringen; doorgaans worden er twee versies per jaar uitgebracht.

Een motorbesturingsalgoritme dat meer intelligentie overdraagt ​​aan randapparatuur zoals A/D-converters of timers, vermindert de belasting van de CPU-kern. Met oplossingen die kleine controllers bevatten die moderne 32-bits architecturen integreren, wordt deze vrijgekomen CPU-capaciteit beschikbaar gesteld aan de applicatie-ontwerper.

De iMOTION-controllers implementeren een algoritme dat geschikt is voor gebruik in productieomgevingen en dat ook de functionele veiligheidseisen voor huishoudelijke apparaten ondersteunt, waardoor ontwerpen mogelijk zijn die voldoen aan de vereiste normen in die markten.

De IMC300-apparaten zijn vooraf gecertificeerd voor toepassingen die functionele veiligheid vereisen volgens UL/IEC 60730 (klasse B).