Von elektrischen zu intelligenten Antrieben

In den Entwicklungsabteilungen ist die Frage nicht ‚ob‘, sondern ‚wie‘. Natürlich werden die Antriebe elektronisch gesteuert, denn elektronische Kommutierung ist hinsichtlich Energieeffizienz, Lebensdauer und Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen mechanisch kommutierten Motoren mit Bürsten überlegen. Echtzeitdaten über Rotorposition, Wicklungsströme, Temperatur et cetera erlauben dem Designer, neben der Rotordrehung, Geschwindigkeit und Drehmoment noch weitere Parameter zu steuern.

Der Antrieb muss die Energieeffizienzziele erreichen, mit Alternativprodukten konkurrieren und die Ökodesign-Spezifikationen erfüllen, dabei die Geräuschentwicklung und Vibrationen in Grenzen halten. Spannungswellenformen und Ströme, die die Motoren antreiben, können optimiert werden, um die elektromagnetischen Emissionen im Zusammenhang mit den Schaltsignalen der Leistungsstufe zu verringern. Die Leistung ist eng mit Wechselrichter und Endstufe verknüpft.

Die Steuerung verarbeitet Sensordaten und Diagnoseinformationen, um die Lebensdauer des Antriebs zu verlängern. Der Controller kann auch einen sicheren Betrieb gewährleisten. Der ständige Abgleich zwischen Motorverhalten und ausgewählten Parametern kann den Motor bei Systemausfällen in einen sicheren Zustand überführen, vorausgesetzt, die Überwachung ist zuverlässig und wird nicht durch denselben Effekt beeinträchtigt, der den Ausfall verursacht. Die Entwicklung regenerativer Schaltkreise verbessert die Energieeffizienz, indem diese beim Verzögern kinetische in elektrische Energie zurückverwandeln. Die Leistungsstufe kann durch einen Mikroprozessor oder einen leistungsstarken Mikrocontroller mit Modulatoren. Viele Anbieter stellen Software-Algorithmen für die Motorsteuerung zur Verfügung, um die Entwicklung zu beschleunigen, dazu integrierte Peripheriefunktionen wie PWM-Blöcke, ADCs für Strommessungen und Ethernet-Schnittstellen.

Die Ausführung von Steuerungsalgorithmen in Mikrocontrollern ist jedoch eingeschränkt. Die maximale Prozessorleistung stellt eine Grenze für die Regelkreisfrequenz dar. Im Idealfall bewegt sich das Magnetfeld, das den Rotor antreibt, gleichmäßig mit diesem, sodass die resultierende Kraft jederzeit den richtigen Winkel anzeigt. Wirklich kontinuierliche Regelkreise müssen Daten wie Rotorposition und momentanen Strom sehr oft erfassen und den nächsten Vektor berechnen. Je kürzer die Schleife, desto gleichmäßiger das Rotationsfeld. Die Beschleunigung der Motorsteuerungsschleife bei gleichzeitiger Verarbeitung zusätzlicher Daten auf Anwendungsebene führt zu höheren Echtzeitanforderungen, die nur teure und leistungshungrige Prozessoren erfüllen können.

Entwickler brauchen auch Flexibilität, um anspruchsvollere Leistungstopologien einzusetzen, etwa für höhere Präzision bei der Steuerung der Feldorientierung im Motor. Multilevel-Wechselrichter zum Beispiel eignen sich gut für Hochspannungsantriebe, die Halbleitertechnologien mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) nutzen, sind jedoch komplexer zu steuern als zweistufige Endstufentopologien. Daher ist neben Änderungen an der Wechselrichter-Hardware auch mehr Rechenleistung erforderlich.

Skalierbarkeit zur Steuerung multipler Achsen

Wichtig ist Skalierbarkeit zur Steuerung multipler Achsen. Die Steuerung eines Knickarmroboters etwa erfordert die Synchronisierung mehrerer Motoren, um die geplante Trajektorie eines Greifers mit schweren Lasten zu realisieren. Das geht mit einem leistungsfähigen Prozessor oder über ein Netzwerk synchronisierter Prozessoren.

Nicht nur die Maschine muss Zugang zu Daten haben, sondern auch der Bediener. Moderne Antriebe verfügen über Funktionen wie Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) und IoT-Konnektivität. Eine geeignete programmierbare Plattform bietet den Entwicklern Flexibilität und Skalierbarkeit, um aktuellen und zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden. Viele der heutigen FPGAs integrieren einen Prozessorkern mit DSP-Elementen, die die programmierbare Logik für höheren Durchsatz, zusätzliche Kanäle und bessere Leistung pro Watt entlasten. Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie Gigabit-Ethernet sind ebenfalls verfügbar, die traditionelle FPGA-Logik dient zum Beispiel zur Implementierung kundenspezifischer Peripherie.

Controller für moderne Antriebe können neuronale Netze oder beschleunigte Algorithmen integrieren, um intelligente Zustandsüberwachung, Vibrationserkennung und Anomalieerkennung zu übernehmen. In diesen Bereichen ermöglicht programmierbare Architektur eine größere Flexibilität und Integration. Adaptive SoCs wie die AMD-Versal-Serie integrieren optimierte KI-Engines, die für neuronale Netzwerke verwendet werden können. Designer können moderne Methoden für die Softwareentwicklung nutzen, insbesondere mit Fokus auf funktionale Sicherheit und Basissteuerung.

Design-Flows wie AMD Vitis und Vivado sowie der MicroBlaze Compiler verfügen über Sicherheitszertifizierungen. Auch Python lässt sich innerhalb des Design-Flows nutzen, bietet Bibliotheken für die Analyse von Motorleistung und Betriebsparameter während des Betriebs, aber auch nach dem Einsatz, und unterstützt so prädiktive Wartung.

Steuerungsalgorithmus schafft mehr als 100.000 Schleifen pro Sekunde

Zusätzlich zu FPGAs und adaptiven SoCs nutzt das AMD-Kria-System-on-Module (SOM) programmierbare Hardware und nahtlose Integration mit AMD-Design-Tools, um die Entwicklung effizienter, leistungsstarker elektrischer Antriebe zu optimieren. Das SOM kann die integrierte programmierbare Logik für Motorsteuerungsschleifen in wenigen Mikrosekunden ausführen, sodass der Steuerungsalgorithmus mit mehr als 100.000 Schleifen pro Sekunde für eine hochpräzise Spannungs- und Stromsteuerung laufen kann. Dieser Ansatz optimiert den elektrischen Wirkungsgrad und die Lebensdauer. Entwickler von Regelalgorithmen können außerdem einen modellbasierten Ansatz mit MATLAB Simulink und Designpfaden nutzen, um das Ergebnis an das ARM-Prozessorsystem oder an digitale Logik mit Funktionen anzupassen, die von AMD Vitis und Vivado bereitgestellt werden. Eine flexible, programmierbare Modulation in der Hardware optimiert das EMI-Verhalten.

Integrierter Block-Speicher ermöglicht lokale Analysen über den Strom der Motordaten und erleichtert die Zustandsüberwachung des Antriebs. Industrial Ethernet
einschließlich Time Sensitive Networking (TSN) für die Kommunikation und Dienste wie DDS und OPC UA vereinfachen die Einbettung in einen modernen Fabrikkontext. Gebrauchsfertige Anwendungen für anpassbare Antriebe können auf das SOM heruntergeladen werden.

Der Wechsel zu intelligenten Antrieben verbindet überlegene Energieeffizienz mit Skalierbarkeit der Achsen, längerer Lebensdauer, geringerer Geräuschentwicklung und Vibration sowie besserer Integration in industrielle IoT-Netzwerke zur Unterstützung von Mehrwertfunktionen. FPGAs, adaptive SoCs und SOMs, unterstützt durch einen sicherheitszertifizierten Design-Flow für Hardware und Software, geben Entwicklern die Flexibilität, die sie benötigen, um die Produktivität durch intelligente Optimierung des Betriebs mit kontinuierlicher Datenerfassung in der Fabrik zu steigern.