Schnelles Justieren & Kalibrieren von Dauermagnetmotoren

Der Traum eines jeden Ingenieurs ist es, während der Entwicklung eines 3-phasigen Wechselrichters für AC bürstenlose Motoren, rasch eine gute Lösung zu finden, die auf seinen jeweiligen Motor abgestimmt ist. Um diesen Traum zu erfüllen, ist ein Designtool notwendig, welches die automatische Messung der Motorparameter, die Justierung der Systemleistung, die Kalibrierung des Koeffizienten zur proportionalen/integralen Energieregelung sowie einen sicheren und verlässlichen Anfahrvorgang ermöglicht.

Renesas bietet nun solch ein traumhaftes Designtool als Erweiterung des bereits vorhandenen RX62T-Motor Control Reference Kit an (Komponentenname: YRMCKITRX62T).

Dieses Kit wurde auf der Grundlage des Renesas High Performance RX62T-Microcontroller konzipiert, welcher mit einem 165 DMIPs 32Bit-CPU mit integrierter Floating-Point-Unit (FPU) ausgestattet ist und eine schnelle Umsetzung von komplexen Algorithmen ermöglicht.

Der RX62T dient ebenfalls als ideale Steuerungslösung eines oder zweier Wechselrichter sowie zum Antrieb 3-phasiger bürstenloser AC/DC-Motoren (z.B. 3-phasige Dauermagnetmotoren). Durch die Nutzung eines sensorlosen, feldorientierten Regelungsalgorithmus benötigen der kostenlose Vector Control Algorithmus und die VDE-zertifizierte MCU-Self-Test-Software nur wenig Flash-Speicherkapazität, sodass CPU-Ressourcen minimiert werden können. Das Kit verfügt außerdem über vollständige Schaltpläne, Gerber, BOM-l, Datenblätter und Bedienungsanleitung.

Darüber hinaus ist, dank der funktionsreichen PC-basierten grafischen Benutzeroberfläche (GUI), die Anbindung an die Hardware und die Entwicklung mit einem Motor denkbar einfach.

In diesem weiterentwickelten Kit wurde die RX62T Embedded Control Software und die Benutzeroberfläche aktualisiert, um folgende vier Vorteile zu erbringen:

1. Automatische Erkennung der Motorparameter

Standardmäßig müssen die mathematischen Modellparameter eines Motors vor dem Durchlauf des sinusförmigen, sensorlosen Algorithmus definiert werden.

Die wichtigsten Parameter sind: Der Statorwiderstand; die synchrone Induktivität (oder im Fall von nicht-isotropen Motoren die beiden Induktivitätsachsen Ld und Lq) sowie die Flussverkettungen der Dauermagneten (z. B. die gegenelektromotorische Kraftkonstante).

Die Messung dieser Parameter ist sehr komplex und erfordert in der Regel ein komplett ausgestattetes Labor mit speziellen Instrumenten.

Mithilfe der neuen Renesas Designtools werden die Werte dieser Parameter durch den 3-phasigen Wechselrichter automatisch erkannt. Im Fall von nicht-isotropen Motoren wird der Durchschnittswert der beiden Induktivitätsachsen zur Verfügung gestellt. Auf der Benutzeroberfläche können die gemessenen Werte durch nur ein paar Mausklicks dargestellt werden.

1.  Automatische Erkennung der Nichtlinearität eines Wechselrichters

In einem 3-phasigen Wechselrichter erzeugen Modulationsausfallzeiten, Spannungsabfälle an den Transistoren (z.B. Schaltern) und Freilaufdioden ein nicht-lineares Verhalten. Dies führt zu einer Differenz zwischen der für den Modulator benötigten Spannung und der effektiven Ausgangsspannung des Wechselrichters.

Wenn die Referenzspannung für das Messverfahren verwendet wird (zum Beispiel bei der Schätzung des Flusses) wird als Ergebnis ein Fehler angezeigt. In vielen Situationen kann diese Differenz im Vergleich zur Ist-Spannung sehr groß sein und somit Ihre Schätzung beeinträchtigen. Da der Fehler vom Ausgangsstrom abhängig ist, kann er durch eine Wertetabelle-Technik kompensiert werden.

Die größte Herausforderung besteht darin, die Werte in der Kompensationstabelle zu definieren, da dazu zahlreiche Messungen und mathematische Berechnungen erforderlich sind. Das RX62T-Kit wird mit einer standardmäßigen Leistungsendstufe geliefert, die bereits eine solche Übersichtstabelle beinhaltet. Jedoch verwenden die meisten Designs eine eigene Endstufen-Hardware, sodass die Übersichtstabelle neu abgeleitet werden muss.

Renesas Motor-Designtools ermöglichen dem Benutzer, das automatische Füllen einer benutzerdefinierten Tabelle mit Koeffizienten, welche die Kompensation der Nicht-Linearität des Wechselrichters ermöglicht.

1. Justierung des proportional-integralen (PI) Strom-Koeffizienten

Die Justierung der PI-Stromregelung erfordert normalerweise die Verwendung eines Oszilloskops und Stromsprungs des Systems, um eine Sprungantwort analysieren zu können. Diese Funktion ist derzeitig für das RX62T-Kit nur für den manuellen Gebrauch erhältlich.

Das Motor-Designtool von Renesas verfügt über zwei zusätzliche Funktionen, die eine schnelle und einfache Justierung der PI-Regelung ermöglichen. Dies kann, ganz ohne die Voraussetzung eines Messsystems, bei Gebrauch der Platine samt angeschlossenem Motor zusammen mit dem PC durchgeführt werden.

Erstens ist für die automatische Erkennung der richtigen PI-Verstärkungswerte gesorgt, sodass der Benutzer die Werte für die proportionalen und integralen Stromkonstanten erhält. Zweitens kann der Benutzer die Justierung noch verbessern, indem er den gewünschten Stromsprung eingibt und dann die Sprungantwort direkt auf der Benutzeroberfläche analysiert, ohne dass dazu ein Oszilloskop nötig ist.

1. Verbesserte Anlaufphase

Im Stillstand kann die Rotorposition des Motors von einem Algorithmus mit Beobachtungs- oder Schätzfunktion nicht erkannt werden. Die Positionserkennung durch Signaleinspeisung kann in einigen Fällen schwierig sein und ist in der Regel sehr lautstark.

Normalerweise ist daher ein Anlauf durch Vorwärtsschub nötig, um eine minimale Geschwindigkeit erreichen zu können. An dieser Stelle kann der Beobachter oder Schätzer die erforderlichen Resultate erbringen und die Geschwindigkeitsschleife geschlossen werden.

Normalerweise gleicht die erforderliche Strommenge während dieser Phase der maximalen Strommenge, da die erforderliche Drehkraft nicht bekannt ist. In vielen Anwendungen ist solches Verhalten nicht akzeptabel. Um dieses Problem zu lösen, hat Renesas ein komplett neues Anlaufverfahren entwickelt, welches den Motor mit einer sehr geringen Strommenge startet, wenn kein Drehmoment erforderlich ist und den Strom je nach Drehmoment automatisch regelt.

Die oben genannten Verbesserungen des RX62T Motor Control Kit ermöglichen Entwicklern, ihren eigenen Motor innerhalb weniger Minuten anzuschließen und zu justieren, sodass eine schnelle und effiziente Optimierung des Gesamtsystems möglich ist.

Weitere Informationen erhalten Sie unter folgenden Links:

RX62T/ 63T Motor Control Reference Kits:

http://www.renesas.eu/applications/key_technology/motor_control/reference/rx/index.jsp

Renesas RX-MCU-Serie: http://www.rxmcu.com/

Kurzes Video: http://www.youtube.com/watch?v=juEKmoT7ajc

RX62T Gruppe: http://www.renesas.eu/products/mpumcu/rx/rx600/rx62t/index.jsp

RX63T Gruppe: http://www.renesas.eu/products/mpumcu/rx/rx600/rx63t/index.jsp