Generisches Prüfmittel zur Ansteuerung und Regelung von DC- und BLDC-Motoren

Benjamin Will, Continental Automotive GmbH

"Die verteilte Architektur der Produktfamilie Single-Board RIO eignet sich hervorragend für die Erledigung komplexer deterministischer Aufgaben."

- Benjamin Will, Continental Automotive GmbH

Die Aufgabe:

Entwicklung eines skalierbaren Prüfsystems für die Ansteuerung und Regelung von DC- und BLDC-(1)-Motoren

Die Lösung:

Auf Basis des sbRIO9627 haben wir ein kompaktes und skalierbares Prüfsystem für die Ansteuerung und Regelung von DC- und BLDC-Motoren entwickelt. Hierbei wurden mehrere Kommutierungsalgorithmen, wie z. B. Stromregelung bei Bürstenmotoren, sowie Block-, Sinus- und feldorientierte Kommutierung für BLDC-Motoren implementiert. Zur Bestimmung der Rotorposition können eine Vielzahl von analogen und digitalen Geberschnittstellen eingebunden werden (z.B. SIN/COS, A-B-Z, SSI und SENT).

Autor(en):

Benjamin Will - Continental Automotive GmbH
Sebastian Meinen - Continental Automotive GmbH

 

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

 

Eingesetzte Produkte: sbRIO-9627, LabVIEW FPGA

 

Kurzfassung

Auf Basis des sbRIO-9627 haben wir ein kompaktes und skalierbares Prüfsystem für die Ansteuerung und Regelung von DC- und BLDC-(1)-Motoren entwickelt. Hierbei wurden mehrere Kommutierungsalgorithmen, wie z. B. Stromregelung bei Bürstenmotoren, sowie Block-, Sinus- und feldorientierte Kommutierung für BLDC-Motoren implementiert. Zur Bestimmung der Rotorposition kann eine Vielzahl von analogen und digitalen Geberschnittstellen eingebunden werden (z. B. SIN/COS, A-B-Z, SSI und SENT). Sensorspezifische Fehler lassen sich automatisiert ermitteln und kompensieren. Die projektspezifische Anpassung der Reglerkaskade (Drehmoment, Drehzahl, Lage) sowie die modulare Physical-Layer-Adaptierung, wie z. B. die Anbindung der Sensoren und der Leistungsendstufe(n), sind entscheidend für den Einsatz als generische Prüfplattform.

 

Konzept und Systemarchitektur

Die verteilte Architektur der Produktfamilie Single-Board RIO eignet sich hervorragend für die Erledigung komplexer deterministischer Aufgaben.

 

Bild 1 zeigt die Systemarchitektur der Prüfstandsplattform. Hierbei können die Stärken der jeweiligen „Ebene“ optimal genutzt werden. So werden die Aufgaben, die einen harten Determinismus verlangen, im FPGA ausgeführt. Hierzu gehören z. B. die PWM-Generierung, die PWM-synchrone Datenerfassung (Center-Aligned PWM mit Messtrigger), das Endstufenmanagement (inkl. Totzeitberechnung), die Kommutierungsalgorithmen, die digitalen Protokolle, die Reglerkaskade sowie die sensiblen Überwachungsfunktionen, die sowohl das System als auch den Prüfling vor Schäden bewahren. Funktionen, die nur einen weicheren Determinismus benötigen, werden auf der RT-Ebene ausgeführt. Hierzu zählen z. B. die Lastzyklussteuerung, Auswertungen im Post-Processing und die Datenübertragung via Netzwerkstream zum optionalen Visualisierungsrechner. Die Kommunikation zwischen RT-System und FPGA kann mit der neuen Zynq-basierten Produktfamilie Single-Board RIO, dank der nun 16 zur Verfügung stehenden DMA-Kanäle komfortabel gestaltet werden. Die synchronen Messdaten werden verschachtelt („interleaved“) übertragen. Ein Host-PC kann bis zu zehn Reglersysteme verwalten, visualisieren, deren Messdaten speichern und externe Ressourcen wie z. B. einen Klimaschrank ansteuern. Die Netzwerkverbindung zwischen den Clients und dem Hostrechner ist als privates 1.000-MBit/s-Netzwerk konzipiert.

 

Zusammenfassung

Der zunehmende Termin- und Kostendruck sowie die steigende Komplexität von Kundenprojekten verlangen nach Modularisierung der Werkzeuge. Bei einem generischen Ansatz für ein Prüfsystem muss ein Optimum zwischen Flexibilität, Komplexität und den Kosten gefunden werden. Wir haben uns dazu entschieden, das Prüfmittel für eine Produktgruppe (DC- und BLDC-Motoren) zu konzipieren. Dies ermöglicht uns, die Skalierbarkeit von 10 A – 200 A, d. h. von einem kleinen DC-Drosselklappensteller bis hin zu einem oder sogar zwei großen miteinander verbundenen BLDC-„heavy Duty“-Aktuatoren, kostengünstig zu realisieren. Da alle drei „Ebenen“ (FPGA, RT und Host-PC) mit LabVIEW programmiert werden und die Verwaltung zentral in einem LabVIEW-Projekt organisiert wird, kann die komplexe Architektur überschaubar bleiben.

 

Informationen zum Autor:

Benjamin Will
Continental Automotive GmbH
Sodener Straße 9
Schwalbach am Taunus 65824
Germany
Tel: +49 (0)6196 87-3276
Fax: +49 (0) 6196 8779-3276
benjamin.will@continental-corporation.com

Bild 1: Systemarchitektur
Bild 2: Anwendungsfälle