Embedded-Systeme & Mikrocontroller Auf Effizienz getrimmt

Bei Neuentwicklungen werden Leistungsfähigkeit und Qualität der Systeme ständig erhöht. Die mit Permanentmagnet erregte Synchronmaschine (PMSM) ist dabei der neue Standard und ersetzt in vielen Bereichen den bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC). Zusätzlich wird das Konzept der synchronen Reluktanzmaschine (SynRM) wieder verfolgt und weiter erforscht. Das Motorkonzept war etwas in Vergessenheit geraten, da ausreichend Zugang zu seltenen Erden für Magnete verfügbar war. Zudem stellt die SynRM hohe Anforderungen an den Temperaturbereich der verwendeten Komponenten und erfordert neue Regelungskonzepte und PWM-Treiberstufen. Für alle neuen Systeme steht die volldigitale Regelung im Anforderungskatalog, da ohne sie die Vorgaben nicht zu erreichen sind.

Aufgaben für Halbleiterhersteller

Die Trends der Systemhersteller wirken sich direkt auf die Halbleiterhersteller der verwendeten Komponenten aus und erfordern Innovation bei der Signalerfassung, Signalumsetzung und Signalkonditionierung: Besser aufbereitete Signale werden applikationsspezifischen Prozessoren zugeführt, die schnellere Regelschleifen mit höheren Spannungen ansteuern. Höhere Spannungen im Zwischenkreis erfordern spannungsfestere Isolationsbausteine und Gate-Treiber für IGBTs. Neue Halbleitertechnologien wie Gallium-Nitrid (GaN) und Silizium-Karbid (SiC) kommen dabei für die Leistungshalbleiter zum Einsatz. Zusätzlich sind neue, langzeitstabile und isolierte Schnittstellenbausteine nötig, die System und Benutzer vor den Gefahren schützen.

Neben der Hardware erfährt die Software weitere Verbesserungen: Neue und schnellere Algorithmen lasten die leistungsfähigeren Prozessoren stärker aus. Mittels eines Modell-basierten Design-Ansatzes (MBD) lassen sich die Systeme bereits vor dem Bau parametrisieren, optimieren, verifizieren und austesten.

Es lässt sich gut erkennen, dass Energieeffizienz in Systemen für die Fertigungsautomatisation ein mehrdimensionales Problem darstellt. Analog Devices betrachtet daher vordringlich folgende Aspekte:

• Die Erhöhung des Durchsatzes im System beziehungsweise die bearbeiteten Stückzahlen der Anlage pro Stunde. Dies erfordert neue und genauere Algorithmen, die in geringerer Rechenzeit Ergebnisse liefern, Positionierungszeiten der Werkzeuge verkürzen und höhere Geschwindigkeiten des Werkzeugkopfes ermöglichen.

• Die Entwicklung neuer Komponenten wie höher integrierte, leistungsfähigere und stromsparende Prozessoren. Zudem neue Gate-Treiber, die in aktuellen Systemen eingesetzt werden können, aber speziell für neue Hochvolt-IGBTs in GaN- oder SiC-Technologie geeignet sind.

• In der Anwendung die bestmögliche Ausnutzung der Energie durch Stromsparmaßnahmen im gesamten Inverter oder Servoantrieb. Weiter die Reduktion von Verlusten im Bereitschaftsbetrieb, Ausnutzung der Bremsenergie des Antriebs und schließlich die umfängliche Vernetzung der Prozessmodule innerhalb der Fertigungsanlage.

Sparsame Komponenten

Für den Fokus auf die genannten Einsparpotentiale stehen neue Komponenten Analog Devices zur Verfügung: Da sind zum Beispiel stromsparende und leistungsfähige Prozessoren (240 MHz Kerntakt) aus der ADSP-CM40x-Familie. Diese basiert auf der ARM-Cortex-M4F-Architektur, vervollständigt um große interne Speicher (2 MByte Flash, 384 kByte SRAM) und flexible Schnittstellen. Das Rechenwerk mit Floating-Point-Unterstützung ist in der Lage, die model-basierten Algorithmen schnell im nativen Datenformat und mit hoher Genauigkeit abzuarbeiten. Präzise mehrkanalige 16-Bit-ADCs (14 Bit ENOB) und schnelle SINC-Filter mit programmierbarer Dezimationsrate zur Rekonstruktion von Sigma-Delta-abgetasteten Strömen in Verbindung mit schnellschaltenden PWM-Einheiten erhöhen die Genauigkeit der Stromregelschleife. Intelligente Verknüpfungen der Einheiten reduzieren Latenzen und verringern die Rechenzeiten. Die flexible Speicherintegration und eine Einheit zur Berechnung von netzharmonischen Oberwellen (HAE) erlauben zusätzliche Algorithmen, speziell für die Anwendung im Active Front End, die Rückspeisung von Energie aus dem Zwischenkreis in das Versorgungsnetz. Wählt man die passend Schnittstellen aus, stellt dies eine leichte Integration in bestehende industrielle Netzwerke sicher.

Darüber hinaus erweitern Bauteile mit verbesserter Genauigkeit (14.2 ENOB) und erhöhtem Signal-Rausch-Abstand die AD740x-Familie der isolierten 16-Bit-Sigma-Delta-ADCs. Sie sind über den gesamten Frequenzbereich spezifiziert und erfüllen die erhöhten Isolationsanforderungen der abgetasteten Spannung bis 1.250 V. Hohe Surge- und ESD-Festigkeit sichern eine lange Lebensdauer des Bausteins. Der Takt kann dabei entweder intern erzeugt (AD7402) oder von außen angelegt (AD7403) werden. Das gewonnene Sigma-Delta-modulierte Signal kann direkt dem SINC-Filter im ADSP-CM40x-Prozessor zugeführt werden und erfordert kein FPGA für den Rekonstruktionsfilter. Zudem steht ein Baustein mit differentiellen Ausgangssignalen auf LVDS-Leitungen zur Verfügung (AD7405), sollte die Leitungslänge deutlich anwachsen und erhebliche Störungen im System zu finden sein.

Zudem gibt es neue isolierte Gate-Treiber, die sowohl für die bestehende MOSFET- und IGBT-Technologien geeignet sind, aber speziell für die neuen GaN- und SiC-Leistungshalbleiter entwickelt wurden. Auch die Isolation der Schnittstellen ist ein sicherheitsrelevanter Aspekt, der mit Neuentwicklungen für einfache digitale Schnittstellen, aber speziell für USB, CAN, RS-232 und LVDS adressiert wird. Diese erfüllen die verstärkten Isolationsanforderungen und sind entsprechend langzeitstabil.

Hohe Integration ist wichtig

Die genannten Bauelemente erlauben es, lokal Strom zu sparen, allerdings steckt ein großer Verlustfaktor weiterhin im einzelnen Inverter: Bereitschaftszeiten ohne Stromsparmaßnahmen verbrauchen unnötig viel Energie. Durch eine höhere und intelligente Integration des Fertigungssystems lassen sich Betriebszeiten mit hoher Aktivität richtig einplanen und in Zeiten des Nichtgebrauchs des Antriebs entsprechende Stromsparmechanismen aktivieren. Die Vernetzung der einzelnen Systeme mittels Industrial Ethernet schreitet ständig voran und ersetzt Feldbussysteme mit geringeren Datenraten. Über Ethernet werden so nicht nur Fertigungsdaten übertragen, sondern auch Positionsdaten gesendet und die ganze Fertigungslinie synchronisiert.

Die Einbindung des ADSP-CM40x-Prozessors in industrielle Ethernet-Netzwerke wird mittels des RapID-Moduls der Firma Innovasic realisiert. Das Modul verwendet den FIDO 5000 Multi-Protokoll Echtzeit Switch (REM), der die meistverwendeten Standards und Protokolle des Industrial Ethernet unterstützt: Powerlink, Modbus, EtherNet/IP (DLR), ProfiNet RT/IRT, SERCOS und EtherCAT, jeweils mit steigenden Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit und Synchronisation des Systems.

Mit den vorgestellten Verbesserungen will Analog Devices Unterstützung bieten für ein nachhaltiges Konzept zur Steigerung der Energieeffizienz in Fertigungsanlagen. Durch hohe Präzision und sinnvolle Integration der neuen Komponenten will man Innovationen ermöglichen und nicht nur einzelne Bestandteile, sondern komplette Systemlösungen anbieten.