Effiziente Hardware- und Softwarelösungen zur Motorsteuerung

Mit der rasanten Entwicklung der industriellen Automatisierung, der Elektrifizierung von Fahrzeugen und der Smart-Home-Technologien ist effiziente Motorsteuerungstechnologie zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Ingenieurkunst geworden. Als Kerngerät für die Energieumwandlung und den Antrieb von Leistung beeinflussen die Effizienz, Zuverlässigkeit und Intelligenz von Motoren direkt die Gesamtleistung des Systems. Daher kann das Entwerfen einer umfassenden Hardware- und Softwarelösung für effiziente Motorsteuerung nicht nur den Energieverbrauch reduzieren, sondern auch eine präzise Steuerung erreichen, um vielfältige Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Dieser Artikel wird die Entwicklungstrends in der Motorsteuerungstechnologie sowie die Vorteile und Lösungen von NXP und Arrow in diesem Bereich vorstellen.

Motorantriebe werden häufig in Industrie- und IoT-Anwendungen benötigt, wo der Bedarf an Energieeffizienz das Wachstum von elektrischen Energiestufen und Wärmepumpen antreibt, was zu einem erhöhten Bedarf an Niedrigleistungssystemen führt. Dies erfordert ultraniederspannungsantriebe und batteriebasierte Systeme, um den Trend der nachhaltigen Entwicklung zu erfüllen. Darüber hinaus hat die Nachfrage nach effizienten Antriebsmotoren zugenommen, was verschiedene aufkommende Motortypen und effiziente Steuerungsalgorithmen erfordert. Im Hinblick auf die synchrone Steuerung wird die steigende Nachfrage nach industrieller Vernetzung und mehrachsiger Bewegungssteuerung das Streben nach Antriebseffizienz vorantreiben.

Andererseits legen Systeme mit der steigenden Nachfrage nach Sicherheit und Schutz immer mehr Wert auf funktionale Sicherheit und Cyber-Sicherheit und streben nach Robustheit, vorausschauender Wartung und der Einhaltung von Industriestandards, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen.

Allerdings steht die Motorsteuerung auch vor zahlreichen Markt-Herausforderungen, wie etwa der Marktfragmentierung, einer Vielzahl von Anwendungsfällen und der steigenden Nachfrage des Haushaltsgerätemarkts nach reduzierten BOM- oder Designkosten. Darüber hinaus gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit industriellen funktionalen Sicherheitsanforderungen, unterschiedlichen Erfahrungsniveaus bei den Kunden der Motorsteuerung, dem Aufkommen zahlreicher unterschiedlicher Motorsteuerungs-Tools und -Software sowie von Systemlösungen auf der Leistungsebene, die alle Herausforderungen für Motorsteuerungsanwendungen darstellen.

Es gibt viele Arten der Motorsteuerung, einschließlich gebürsteter DC-Motoren, Schrittmotoren, bürstenloser DC-Motoren (BLDC), permanenterregter Synchronmotoren (PMSM) und Wechselstrom-Induktionsmotoren (ACIM), die verschiedene vertikale Märkte abdecken. Wichtige Trends, die das Wachstum in diesen Märkten antreiben, beinhalten das Streben nach Energieeffizienz, den Bedarf an Wärmepumpen und Antrieben mit ultraniedriger Spannung sowie den Trend zur Automatisierung, der die Nachfrage nach Servoantrieben, mobilen Robotern und Elektrowerkzeugen steigert. Darüber hinaus gibt es wichtige Wachstums-märkte, die technologische Differenzierung vorantreiben, einschließlich ähnlicher Motorsteuerungstechnologien, die sich über mehrere vertikale Märkte erstrecken und sich in Richtung Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit, hohem Drehmoment und variabler Last entwickeln. Derzeit zeigen die Haupttrends in den Wachstumsmärkten, dass der Fokus der Motortypen sich hin zu BLDC und PMSM verlagert.

Die Motorsteuerungsprodukte von NXP verfolgen einen "Zwei-Schlag"-Ansatz, der Hardware und Software integriert. Die Produktpalette reicht von der Einsteiger- und Mainstream-MCX-Produktlinie, die Geschwindigkeiten von bis zu 48 MHz unterstützt, bis hin zu den i.MX RT Crossover-MCUs, die bis zu 1 GHz erreichen. Zusätzlich sind die i.MX-Anwendungsprozessoren, die für Motorsteuerung in Kombination mit Bewegungskontrolle entwickelt wurden, mit Cortex-A + Cortex-M-Kernen ausgestattet. Das Motorsteuerungssubsystem umfasst hardware-synchronisierte Hochgeschwindigkeits-ADCs, Motorsteuerungs-PWM, Operationsverstärker/programmierbare Verstärker (PGA) und Encoder-Schnittstellen. Dieses Subsystem ermöglicht skalierbare Verarbeitung, um die Entwicklungserfahrung bei der Motorsteuerung zu optimieren.

Im Vergleich zu Wettbewerbern hält NXP einen differenzierten Vorteil. Zum Beispiel arbeiten die i.MX RT Crossover-MCUs mit einer Frequenz von bis zu 1 GHz, was eine hochdynamische Motorsteuerung ermöglicht. Der i.MX 94 MPU verfügt über einen Echtzeitkern für bewegungsintegrierte Motorsteuerung und ermöglicht extrem effizientes Processing. Darüber hinaus bietet NXP ein einheitliches Motorsteuerungssubsystem mit proprietärem NXP-IP, das speziell für die Motorsteuerung entwickelt wurde und skalierbar über seine MCU- und MPU-Produktportfolios ist.

Die Motorsteuerungslösungen von NXP optimieren die Anwendungskosten mit integriertem On-Chip-PGA und Positionsdecodern. Die i.MX RT Crossover-MCUs bieten zudem die höchsten DMIPs pro Dollar und bieten anwendungsorientierte Integrationsmöglichkeiten wie Gigabit-Industrienetzwerke für verbundene Fabrik-Servoantriebe und eIQ® AI/ML-Features für motorische prädiktive Wartung und Anomalieerkennung. Darüber hinaus ermöglichen diese Lösungen eine schnelle Prototypenerstellung durch Motoridentifizierung und -abstimmung, unterstützt durch einfach zu startende SDK-Beispiele, die dazu beitragen, die Markteinführungszeit zu verkürzen.

NXP bietet gestaffelte Lösungsprodukte an. Bei der Konzeptnachweisphase unterstützt es Kunden darin, ein Konzept oder eine Idee zu demonstrieren, eingeschränkte Hardware-Verfügbarkeit zu überprüfen, grundlegende Tests durchzuführen und Firmware bereitzustellen. Kunden erhalten Firmware-/Schaltplan-Beispiele, um ihre Projekte zu starten und das Vertrauen in die Gerätkompatibilität zu erhöhen.

Für Referenzdesigns bietet NXP optimierte Referenzlösungen, die auf spezifische Kundenanwendungsfälle zugeschnitten sind, einschließlich über alle Kanäle verfügbarer Hardware, behördlicher Zertifizierungen sowie Schulung und Support für getestete und gewartete Software. Kunden erhalten Hardware/Schaltplanbeispiele für Entwicklungsprojekte, was das Vertrauen in Implementierung und Tests erhöht, zusammen mit kompletten Software/Firmware-Beispielen, um die Markteinführungszeit zu verkürzen.

Die FRDM-Entwicklungsplattform von NXP bietet kostengünstige erweiterbare Boards, die skalierbare Lösungen darstellen und einfach über verschiedene Kanäle und Partner zugänglich sind. Sie bietet Schulungen, Unterstützung und Referenzsoftware und ermöglicht es den Kunden, problemlos für verschiedene Anwendungsfälle zu skalieren. Die Produkte ermöglichen eine schnelle Markteinführung, bieten umfassende Marktunterstützung und zahlreiche Beispiele.

Der i.MX RT1180 von NXP ist ein High-End-Crossover-Mikrocontroller (MCU) mit einem leistungsstarken Arm®-Cortex®-M7-Kern mit einer Taktrate von bis zu 800 MHz und einem energieeffizienten Cortex®-M33-Kern mit einer Frequenz von bis zu 240 MHz. Der i.MX RT1180 bietet industrielle Gateway-Funktionalität, unterstützt industrielle Echtzeitprotokolle (Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP usw.) und implementiert das neueste Gigabit Time Sensitive Networking (TSN)-Protokoll durch ein fortschrittliches Ethernet-Switch-Subsystem und 1,5 MB On-Chip-RAM mit ECC-Schutz. Der i.MX RT1180 integriert zudem fortschrittliche Energiemanagementmodule, einschließlich DC-DC- und LDO-Reglern, wodurch die Komplexität externer Stromversorgungen reduziert und die Leistungssequenz vereinfacht wird. Er verfügt außerdem über ein großes Subsystem, das mehrere Anwendungen unterstützen kann, einschließlich Speicher- und Konnektivitätsschnittstellen (CAN-FD, LPUART, LPSPI, LPI2C, FlexIO usw.).

Der i.MX RT1180 von NXP ist ein Crossover-Dual-Core-Echtzeit-Mikrocontroller (MCU) mit einem TSN-Switch und EdgeLock®-Sicherheit, der Arm® Cortex®-M7- und Arm® Cortex®-M33-Kerne für hohe Leistung und Echtzeit-Steuerungsfunktionen nutzt. Der i.MX RT1180 integriert TSN-Switches und EtherCAT-SubDevice-Controller, wodurch er sich ideal für Industrie- und Automobilkommunikationsanwendungen eignet.

Der i.MX RT1180 CM7 arbeitet mit einer Frequenz von bis zu 800 MHz, und der CM33 arbeitet mit einer Frequenz von bis zu 240 MHz, mit 1,5 MB On-Chip-RAM. Diese Familie unterstützt mehrere Protokolle und ermöglicht so die Kommunikationsüberbrückung zwischen Echtzeit-Ethernet und Industrie 4.0-Systemen. Der i.MX RT1180 bietet auch fortschrittliche Informationssicherheit und integriert NXP’s EdgeLock® Secure Enclave. Die i.MX RT1180 Familie wird durch das MCUXpresso Entwicklererlebnis unterstützt, das SDK, IDE-Optionen, sichere Programmierung und Bereitstellung sowie Konfigurationstools für schnelle Entwicklung umfasst.

NXP kann Entwicklern von Motorsteuerungen in einer Reihe von Prozessen helfen, beginnend mit der Systemeinrichtung, gefolgt von der Motormodellierung, die durch das FreeMASTER Motor Control Application Tuning (MCAT) angepasst werden kann. Der dritte Schritt beinhaltet die Motorabstimmung, die zur Laufzeit mithilfe von FreeMASTER mit MCAT debuggt werden kann. Anschließend kann die Softwarebereitstellung unter Verwendung der Motorsteuerungscodebeispiele im MCUXpresso SDK erfolgen, was zur Markteinführung des Endprodukts führt.

FreeMASTER ist ein Tool zur Echtzeit-Debug-Überwachung und Datenvisualisierung für die Anwendungsentwicklung und das Informationsmanagement. Es umfasst Oszilloskope, Echtzeitspeicherung und Dashboard-Steuerungsfunktionen, die Benutzerfreundlichkeit und hohe Skalierbarkeit bieten. Es unterstützt grundlegende Steuerungs- und Visualisierungsaufgaben ohne Codeänderungen, Middleware für leistungsstärkere Implementierungen, volle Unterstützung für benutzerdefinierte Dashboards und Skripte in HTML/JavaScript, Datenaustausch mit anderen Anwendungen und verschiedene Schnittstellenoptionen, einschließlich UART, CAN, BDM/PD-BDM und SWD oder benutzerdefinierte Schnittstellen. Es kann auf jeder Plattform mit verfügbarer serieller Schnittstelle ausgeführt werden. FreeMASTER Lite unterstützt Remote-Control-Dashboards auf Nicht-Windows-Plattformen.

MCAT ist ein Plugin-Tool für FreeMASTER, das mit FreeMASTER zusammenarbeitet, um die Echtzeitüberwachung, Abstimmung und Aktualisierung von Steuerparametern in Motorsteuerungsanwendungen zu ermöglichen. MCAT kann Steuerparameter für den Zielmotor/die Zielanwendung abstimmen, Steuerparameter dynamisch abstimmen und aktualisieren sowie Header-Dateien mit abgestimmten statischen Parameterkonfigurationen erzeugen. Es ist unabhängig von der MCU und der Arithmetik (16-Bit/32-Bit, Fix/Flt).

Um die Produktentwicklungsgeschwindigkeit der Kunden zu beschleunigen, ist das von Arrow Electronics entwickelte SEED-RT118X Entwicklungskit ein Entwicklungstoolkit für intelligente TSN/EtherCAT-Motorsteuerung. Der integrierte i.MX RT1180 Crossover-MCU verfügt über eine fortschrittliche EdgeLock Secure Enclave und basiert auf einer 800 MHz Cortex-M7 und 240 MHz Cortex-M33 Dual-Core-Architektur, um Designflexibilität zu erreichen. Diese Serie umfasst einen TSN-Switch, der die Echtzeit-Integration in Netzwerke unterstützt und mit zeitkritischer und industrieller Echtzeitkommunikation umgehen kann. Der i.MX RT1180 unterstützt mehrere Protokolle und verbindet damit die Kommunikation zwischen Echtzeit-Ethernet und Industrie 4.0 Systemen. Das SEED-RT118X integriert Ethernet-, EtherCAT-, CAN-, USB-, SD-Funktionalitäten und vier Anschlüsse, die zusätzlich unabhängig weitere Motorsteuerungsplatinen unterstützen können.

Die SEED-RT118X Ethernet-Karte verfügt insgesamt über 5 Ethernet-Ports, wobei ETH0 und ETH4 100 Mbps-Ports sind und die anderen drei Gigabit-Ports sind. ETH0 - ETH3, diese vier Ports, verbinden sich mit einem 4-Port-TSN-Switch innerhalb des RT 118X. ETH4 verbindet sich mit einem TSN GMAC innerhalb des RT 118X. Die Ethernet-Ports ETH0 und ETH4 der SEED-RT118X EtherCAT-Karte können als EtherCAT-Schnittstellen ECAT0 und ECAT1 konfiguriert werden. Durch das Modifizieren der Widerstände der Karte kann die PHY-Schnittstelle als RMII oder MII ausgewählt werden. EtherCAT bietet hohe Kommunikationsgeschwindigkeit, gute Synchronisationsleistung, flexible Topologiestruktur, hohe Echtzeitfähigkeit, hohe Zuverlässigkeit und Stabilität.

Das SEED-RT118X Motorsteuerungs-Interfaceboard reserviert außerdem vier Motorsteuerungs-Interfaces mit denselben Pin-Definitionen. In Kombination mit bestimmten Treiberboards kann diese Anwendungslösung auf Basis des NXP i.MX RT1189 zur Steuerung von 24V-48V DC-Servomotoren, BLDC- und Schrittmotoren verwendet werden.

Der SEED-RT118X TSN kann GPTP-Uhrensynchronisation durchführen, RT118X GPTP-Uhrensynchronisationsparameter testen und SEED-RT118X TSN-Datenübertragung und -empfang handhaben. Er kann zeitgestempelte Daten senden, um die Verarbeitungsverzögerung und Weiterleitungsverzögerung des RT118X-Netzwerkstapels zu testen. Der SEED-RT118X TSN-Switch kann die VLAN-, Weiterleitungstabelle- und Verkehrsplanungsfunktionen des RT118X TSN-Switch konfigurieren. Durch Tests wurde festgestellt, dass der maximale Fehler der SEED-RT118X GPTP-Uhrensynchronisationsparameter ±39,98 ns beträgt, der durchschnittliche Fehler 2,556 ns und die gesamte Verarbeitungsverzögerung und Weiterleitungsverzögerung des SEED-RT118X-Netzwerkstapels etwa 36 µs betragen.

Effiziente Motorsteuerung ist nicht nur eine Richtung für technologische Innovation, sondern auch ein Schlüsselfaktor für Energieeinsparung, Emissionsreduktion und intelligente Anwendungen. Durch das kollaborative Design von Hardware und Software können Ingenieure einen effizienteren und zuverlässigeren Motorbetrieb erreichen, der den steigenden Leistungsanforderungen in verschiedenen Branchen gerecht wird. Gleichzeitig senkt die kontinuierliche Weiterentwicklung von Steuerungssensoren, Prozessorleistung und Entwicklungstools die Hürde für die Gestaltung effizienter Motorsteuerungssysteme, wodurch innovative Möglichkeiten für mehr Anwendungsszenarien geschaffen werden. Die in diesem Artikel vorgestellten Motorsteuerungslösungen von NXP und Arrow werden im globalen Technologiewettbewerb und für nachhaltige Entwicklung eine unersetzliche Rolle spielen, indem sie helfen, ein besseres technologisches Leben zu erschaffen.