Mouser German Blog

Die Nachfrage nach hochleistungsfähigen Lösungen für Motorantriebe hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Insbesondere Applikationen im Bereich der Niederspannungs-Servoantriebe verlangen nach zuverlässigen Systemen, die in der Lage sind, hohe Leistungen an den Elektromotor zu übertragen, die von einigen hundert bis zu mehreren tausend Watt reichen. Aufgrund ihrer Flexibilität und ihrer hohen Leistung bei der Positionierung und der Drehmomentregelung der mechanischen Last dominieren in diesem Applikationsbereich die 3-phasigen Brushless-Motoren.[1]

Da diese Applikationen in der Regel mit Standard-Industriespannungen wie 24 V und 48 V betrieben werden, müssen ihre Leistungsstufen Ströme im zweistelligen Amperebereich bewältigen, was aus verschiedenen Gründen ein komplexes Design erforderlich macht. Diese Komplexität des Designs wird zudem durch die neuesten Markttrends noch verstärkt, die darauf abzielen, sehr kompakte Motortreiber auf dem jeweils gesteuerten Motor zu montieren, was den Vorteil hat, dass Kabel, Strahlung und Kosten reduziert werden. Dabei ist die Größe der Endtransistoren der Leistungsstufe und ihre Verbindung zum Servomotor von entscheidender Bedeutung, denn die hohen Ströme können Leistungsverluste und Temperaturen erhöhen und die Leiterbahnen des Boards überlasten, was beim Design entsprechend berücksichtigt werden muss [2].

Um das Beste aus 3-phasigen Brushless-Motoren herauszuholen, sind modernste Steuerungstechniken notwendig, wie z. B. die feldorientierte Steuerung („Field Oriented Control“, FOC), bei der das Magnetfeld, das durch die in den Motorwicklungen fließenden Ströme erzeugt wird, dynamisch angepasst wird, um den Wirkungsgrad des Elektromotors zu optimieren.

Ein Beispiel hierfür ist der STSPIN32G4 von STMicroelectronics, der einen leistungsstarken STM32 Mikrocontroller mit einem dreifachen Gate-Treiber mit Halbbrücke und einer flexiblen Schaltung für das Leistungsmanagement kombiniert. Der Mikrocontroller sorgt für die modernste Motorsteuerung, während der Treiber die Steuerung der Leistungsstufe übernimmt. Beim neuen Referenzdesign EVLSERVO1 (Abbildung 1) kommt der STSPIN32G4 für Applikationen mit Servoantrieben zum Einsatz.

Design-Beschreibung

EVLSERVO1 basiert auf einem modularen Design, wie in Abbildung 1 dargestellt, das aus zwei übereinander angeordneten Leiterplatten (PCBs) besteht: Steuerung und Leistungsboard. Das Design zielt auf einen 3-phasigen Brushless DC-Motor mit einer Dauerleistung von bis zu 2 kW bei passiver Kühlung oder 3 kW bei Verwendung eines Lüfters. Das System ist für den Betrieb in industriellen Umgebungen mit einer Bus-Nennspannung von bis zu 48 V vorgesehen. Es wurde jedoch mit einem großen Spannungsbereich konzipiert, der die Betriebsspannung auf 75 V erweitert. Der maximale Ausgangsstrom des Motors beträgt mit oder ohne Lüfter 63 A_rms bzw. 42 A_rms.

Leistungsboard

Abbildung 2 zeigt das Leistungs-Board, das im Wesentlichen aus 12 STL160N10F8-MOSFETs besteht, die in einer dreifachen Halbbrücken-Konfiguration angeordnet sind. Jeder Schalter für den Low-Side- und den High-Side-Bereich besteht aus zwei parallelen Transistoren. Das System schützt vor Überspannungen auf dem Bus während des regenerativen Bremsens. Dies ist ein wichtiges Merkmal, denn wenn der Motortreiber die Geschwindigkeit reduzieren soll, passt der Steuerungsalgorithmus die Modulation des Motors an, um die Leistungsübertragung umzukehren.

Controller-Board

Der STSPIN32G4 ist das Herzstück des Controller-Boards, wie in Abbildung 2 dargestellt. Das Bauteil führt den Steuerungsalgorithmus auf dem Embedded High-Performance-Mikrocontroller STM32G431 aus, der mit einem Cortex®-M4 Core ausgestattet ist und mit einer Frequenz von bis zu 170 MHz arbeitet.

Das System erlaubt die bidirektionale Erkennung von Motorströmen, wie sie für die FOC-Steuerung erforderlich ist. Die Erkennung erfolgt über den Spannungsabfall an den drei Shunt-Widerständen, einem für jede Motorphase, der durch eine auf Operationsverstärkern basierende Gain-Stufe verstärkt wird. Die verstärkten Signale werden dann von zwei 12-Bit-ADCs im STSPIN32G4 [3] abgetastet und umgewandelt.

Leistung

Um die Robustheit und Leistungsfähigkeit des EVLSERVO1 zu überprüfen, wurde der in Abbildung 3 dargestellte Aufbau verwendet.

Der Hauptanschluss des Systems wurde mit einem DC-Netzteil verbunden, das bis zu 3,5 kW an elektrischer Energie bereitstellen kann. Die drei Ausgänge wurden dagegen an einen 3-phasigen Brushless-DC-Motor angeschlossen, der bei 3000 Umdrehungen pro Minute eine mechanische Leistung von 4,47 kW (6 PS) liefern kann. Die mechanische Leistung des Motors wurde über eine Hysteresebremse abgeführt, wobei der Motor über eine flexible Kupplung gekoppelt war. Drei Leistungswiderstände wurden als Bremswiderstände mit einem Gesamtwiderstand von etwa 0,9 Ω parallel geschaltet, wenn man die Verbindungen zum Board berücksichtigt.

Der STSPIN32G4 wurde mit einer Firmware konfiguriert, in der der FOC-Steuerungsalgorithmus implementiert war. Der EVLSERVO1 wurde bis an seine maximale Betriebsgrenze betrieben und erreichte eine durchschnittliche Leistung von fast 3 kW, wie auf dem Display des Netzteils in Abbildung 3 dargestellt.

Das System erreichte einen stabilen Zustand nach etwa 15 Minuten Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25 °C. Der heißeste Punkt auf dem Board war ein Low-Side-MOSFET, der eine Temperatur von 113 °C erreichte, wie auf der linken Seite von Abbildung 4 dargestellt. Nach diesem Test wurde der Lüfter eingeschaltet, und der Ausgangsstrom stieg auf 63 A_rms an. In diesem Zustand sank die maximale Temperatur des heißesten MOSFETs auf 105 °C, wie in Abbildung 4 rechts zu sehen ist.

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für einen Eingriff am Bremswiderstand. In diesem Fall wurde die mechanische Bremse deaktiviert, um die Dissipation einer signifikanten Leistung zu vermeiden, mit Ausnahme der Reibungsverluste. Im Gegensatz dazu wurde die mechanische Trägheit des Systems ausgenutzt, um Energie während der Rotation zu speichern, wenn der Motor im Uhrzeigersinn lief. Dann erhielt der Antrieb den Befehl, die Wellenrotation plötzlich gegen den Uhrzeigersinn umzukehren, um das regenerative Bremsen auszulösen. Wie in der Abbildung zu sehen ist, steigt in der Anfangsphase die Spannung am Bus an, da sich der Motor wie ein Generator verhält und ein bestimmter Strom in die Kondensatoren des Systems eingespeist wird.

Während der gesamten Bremsphase wurden die Widerstände mehrfach im gepulsten Modus aktiviert, was dazu führte, dass die Busspannung in einem sicheren Bereich zwischen 62 V und 65 V gehalten wurde. Bei diesem Bremstest erreichte der gepulste Strom 60 A, was zu einer Spitzenleistung von etwa 3,4 kW und einer durchschnittlichen Leistung von 148 W führte. Während der Bremsphase lieferte der EVLSERVO1 eine durchschnittliche Leistung von etwa 4,7 W zum Laden der Massenkondensatoren im System. Dann kehrte der Motor seine Fahrtrichtung um und begann mit der Beschleunigung gegen den Uhrzeigersinn, wobei die Leistung aus dem Netzteil schrittweise bis auf 400 W erhöht wurde, um die Zielgeschwindigkeit zu erreichen.

Fazit

Für Applikationen im Bereich der Niederspannungs-Servoantriebe werden zuverlässige und effektive Motorsteuerungen benötigt. Durch die kompakte Bauweise des EVLSERVO1 kann die Elektronik in der Nähe des Motors untergebracht werden, was bei Applikationen mit Servoantrieben wünschenswert ist. Für ein robustes Design bei Defekten stehen mehrere Schutzvorrichtungen zur Verfügung, darunter eine dedizierte Schaltung zum Schutz vor einer möglichen Überspannung am Bus infolge regenerativen Bremsens.

Referenzen

[1] Servo motor driver design for high performance applications, IEEE paper

[2] TA0361 - Thermally aware high-power inverter board for battery-powered applications, Technical Article

[3] AN5397 - Current Sensing in motion control applications, Application Note

[4] AN4694 - EMC design guides for motor control applications, Application Note

[5] Design rules for paralleling of Silicon Carbide Power MOSFETs, Conference paper

[6] Why Do Passive Oscilloscope Probes Have So Many Ground Connection Options?

Die Autoren:

Enrico Poli hat einen Abschluss als Master of Science in Elektronik an der Polytechnischen Universität von Mailand. Seit 2006 arbeitete er als Entwickler für Applikationen bei Dora SpA und später bei STMicroelectronics. Mit seiner Expertise im Bereich der Steuerung von Schrittmotoren, Bürstenmotoren und bürstenlosen Elektromotoren hat er zur Entwicklung von innovativen Produkten und Lösungen beigetragen. Derzeit ist er als Application Manager in der Abteilung Application Specific Product für Lösungen zur Steuerung von Automotive- und Industriemotoren zuständig.

Prospero Lombardi erwarb 2013 einen MSc-Abschluss in Elektronik und promovierte 2017 in Informationstechnologie an der Polytechnischen Universität in Mailand, Italien. Er ist derzeit als Application Engineer bei STMicroelectronics tätig und hat sich auf den Bereich der elektrischen Niederspannungs-Motorsteuerung spezialisiert. Seine Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Validierung neuer Produkte und die Entwicklung ihrer Development Tools.