Hochintegrierte MCUs vereinfachen die Entwicklung präziser und effizienter Motorsteuerungen

Als mein Sohn in der Schule dem Robotik-Club beitrat, war ich ein stolzer Vater. Es dauerte jedoch nicht lange, bis er auf mir bekannte Designprobleme stieß. Eine große Herausforderung für ihn war es, eine präzise, effiziente und benutzerfreundliche Motorsteuerungshardware zu finden.

In unserer Berufswelt tauchen diese Anforderungen bei der Entwicklung von Haushaltsgeräten bis hin zur industriellen Automatisierung auf. Deshalb bin ich von den neuen Mikrocontrollereinheiten (MCUs) PSOC Control C3 von Infineon fasziniert.

Eine effiziente Architektur für die moderne Motorsteuerung

Die Familie PSOC Control C3 ist eine leistungsstarke und effiziente Lösung für die moderne Motorsteuerung. Diese MCUs bestehen aus einem Arm-Cortex-M33-Kern mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) und einer Gleitkommaeinheit (FPU) (Abbildung 1). Dieser Kern wird durch leistungsstarke Peripherieelemente ergänzt, die für Systeme mit Leistungsbauelementen auf Basis von Technologien mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) optimiert sind.

Abbildung 1: Die MCUs PSOC Control C3 verfügen über leistungsstarke Peripherieelemente, die um einen Arm-Cortex-M33-Kern mit DSP und FPU herum aufgebaut sind. (Bildquelle: Infineon)

Drei Peripherieelemente der Control-C3-MCU sind besonders erwähnenswert:

• Der leistungsstarke 12-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) mit sukzessiver Annäherung (SAR) ermöglicht eine echte synchrone Leerlaufabtastung von bis zu 16 analogen Signalen. Dies ist entscheidend für die genaue Erfassung sich schnell ändernder Wellenformen, wie z. B. Motorphasenströme in feldorientierten Steuerungssystemen (FOC) oder Netzspannungen in einem Solarwechselrichter.
• Der optionale Mathematikbeschleuniger CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) entlastet den Arm-Kern von trigonometrischen und anderen transzendentalen Funktionen. Davon profitieren Algorithmen wie die Park-Transformationen in FOC-Systemen und Phasenregelschleifen (PLLs) in der netzgekoppelten Energieumwandlung.
• Die Timer/Counter-Pulsweitenmodulation (TCPWM)-Blöcke können präzise Schaltsignale erzeugen und eine Motorsteuerungsschnittstelle (MOTIF) integrieren, die eine direkte Hardware-Unterstützung für Hall- und Quadratur-Encoder bietet, die in sensorgestützten Motorsteuerungsdesigns verwendet werden.

Zusammen bieten diese Funktionen eine eng integrierte Lösung für anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. hocheffiziente Motorantriebe, digitale Stromversorgungen und Systeme für erneuerbare Energien.

Weitere hervorzuhebende Merkmale sind die zahlreichen I/Os und die stromsparenden Modi, die den Stromverbrauch auf unter 1 Mikroampere (µA) senken können. Die PSA-zertifizierte Sicherheitsstufe 2 schützt vor Manipulationen, während die Einhaltung von IEC 60730 Klasse B und IEC 61508 SIL 2 die funktionale Sicherheit gewährleistet.

Optimierung von Kosten und Fähigkeiten mit zwei MCU-Serien

Da nicht jedes Produkt alle verfügbaren Funktionen benötigt und die Budgets oft knapp bemessen sind, gibt es die PSOC Control C3 in zwei Varianten: das kostenoptimierte Einstiegsmodell und ein leistungsfähigeres Modell. Zu den Hauptmerkmalen des Einstiegsmodells gehören ein 100-Megahertz-Arm-Kern, ein ADC für 6 Megasamples-pro-Sekunde (MS/s) und ein 48- oder 64-Pin-Gehäuse.

Das leistungsfähigere Modell verfügt über einen 180-MHz-Prozessor, einen SAR-ADC für 12 MS/s und ein 80-Pin-Gehäuse. Außerdem wird das PWM-Timing auf über 100 Pikosekunden (ps) verbessert, was die Steuerung von Schaltfrequenzen über 200 Kilohertz (kHz) ermöglicht.

Der PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (Abbildung 2) ist ein Beispiel für die Fähigkeiten des leistungsfähigeren Modells. Diese MCU kombiniert den 180-MHz-Arm-Cortex-M33F-Kern mit 256 Kilobytes (KByte) Flash-Speicher in einem PG-LQFP-80-Gehäuse. Er eignet sich besonders gut für anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. Robotik und E-Bike-Motorsteuerungen, bei denen Performance an erster Stelle steht.

Abbildung 2: Die leistungsfähige MCU PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 kombiniert den 180-MHz-Arm-Cortex-M33F-Kern mit 256 KByte Flash-Speicher in einem PG-LQFP-80-Gehäuse. (Bildquelle: Infineon)

Beschleunigen der Entwicklung von Motorsteuerungen mit Evaluierungskits

Für diejenigen, die sich für die Entwicklung mit der Control-C3-Familie interessieren, ist das Evaluierungskit KITPSC3M5EVK (Abbildung 3) ein guter Ausgangspunkt. Es ist mit einer PSC3M5FDS2AFQ1-MCU ausgestattet, die den Entwicklern Zugang zur gesamten Funktionspalette des PSOC Control C3 bietet.

Abbildung 3: Das Evaluierungskit KITPSC3M5EVK bietet eine Vielzahl von Steckleisten für Machbarkeitsstudien mit den MCUs PSOC Control 3. (Bildquelle: Infineon)

Die Platine ist einfach aufgebaut und eignet sich daher für Steckplatinen-Experimente. Sie bietet außerdem Steckleisten für mikroBUS-Shields von MIKROE, den Uno R3 von Arduino und die Shield2Go-Schnittstelle von Infineon zur einfachen Erweiterung. Insgesamt ist es eine gute Wahl für Peripherietests, Machbarkeitsstudien und erste Code-Entwicklung.

Für diejenigen, die direkt in die Entwicklung von Motorsteuerungen einsteigen möchten, sind auch fortgeschrittenere Kits wie das KIT_PSC3M5_CC2 (Abbildung 4) erhältlich. Diese umfassende Plattform basiert auf der gleichen PSC3M5FDS2AFQ1-MCU und umfasst integrierte Gatetreiber für die Leistungsstufensteuerung, Strommessschaltungen für die Phasenstrommessung und eine On-Board-Stromversorgung für den Standalone-Betrieb. Es ist eine ausgezeichnete Wahl für die Entwicklung von Motorsteuerungen, die Prüfung von FOC-Algorithmen und die Validierung auf Systemebene.

Abbildung 4: Das KIT_PSC3M5_CC2 ist eine flexible Plattform für das Prototyping von Motorsteuerungen. (Bildquelle: Infineon)

Beide Boards und die PSOC-Control-C3-Familie werden von ModusToolbox, dem Entwicklungs-Ökosystem von Infineon, unterstützt. Die ModusToolbox Motor Suite bietet gebrauchsfertige Code-Beispiele und Tools, die speziell für Motorsteuerungsanwendungen entwickelt wurden, so dass Sie schnell von der Evaluation zur Implementierung übergehen können. Sie unterstützt auch die direkte Integration mit zahlreichen IDEs und Build-Systemen von Drittanbietern, so dass Sie den Arbeitsablauf flexibel an deren bevorzugte Toolkette anpassen können.

Fazit

Ganz gleich, ob Sie, wie mein Sohn, neu im Bereich der Motorsteuerung sind oder als erfahrener Entwickler auf der Suche nach der neuesten Technologie sind, die MCUs der Serie PSOC Control C3 haben eine Menge zu bieten. Erweiterte Funktionen wie der CORDIC-Beschleuniger und der synchronisierte ADC verleihen ihm beeindruckende Motorsteuerungsfähigkeiten. Das Beste daran ist, dass diese Funktionen in eine hocheffiziente MCU gepackt sind, die faszinierende neue Möglichkeiten für kostensensitive Designs eröffnet.