Masterarbeit. Entwicklung und Inbetriebnahme eines Coprozessors zur Ansteuerung von BLDC-Motoren mit einem leistungsschwachen Prozessorkern

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1 Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur Masterarbeit Entwicklung und Inbetriebnahme eines Coprozessors zur Ansteuerung von BLDC-Motoren mit einem leistungsschwachen Prozessorkern Roman Reichel 1 / 18

2 Übersicht 1 Einleitung 2 Literaturrecherche 3 Hardware 4 Erste Implementierung 5 Zusammenfassung und Ausblick 2 / 18

3 Einleitung Jjmontero9, Wikimedia Commons, lizenziert unter CC BY-SA 3.0 Sebastian Koppehel, Wikimedia Commons, lizenziert unter CC BY / 18

4 Überblick Mikrocontroller Coprozessor Treiber 8-Bit- Mikrocontroller Motorregelung Steuerung des Motors Positionsbest. Rotor Erzeugung PWM, Kommutierungssignale elektr. Ansteuerung der Leistungselektronik Messung von Spannungen und Strömen 4 / 18

5 Aufgaben Einarbeitung in die Thematik, Literaturstudium zu EC-Motorsteuerungen und BLDC-Motoren. Implementierung der Gesamtarchitektur in ein FPGA für Evaluierungszwecke. Evaluierung des Systems bezüglich seiner Performance und Dokumentation der Ergebnisse. 5 / 18

6 Literaturrecherche HS W HS V HS U LS W LS V LS U Diskrete Halbbrückenansteuerung Betriebszustände: Geregelter Betrieb (Normalfall) Motorstart Aufsynchronisierung auf bereits drehenden Motor 6 / 18

7 Blockkommutierung U V W Jeweils nur zwei Phasen aktiv geschaltet, entspricht 6 Zuständen Kommutierung (Umschaltung der Halbbrücken) erfolgt nur bei Intervallübergang t Ermittlung der Rotorposition während inaktivem Intervall per EMK 7 / 18

8 EMK-Messung V BAT U Nulldurchgang Varianten: Vergleich mit halber Versorgungsspannung GND Kommutierung U Kommutierung t Vergleich mit Sternpunktspannung direkte Messung V BAT /2 PWM-Synchronisierung: A zum Ende der inaktiven Phase GND t B während aktiver Phase A B 8 / 18

9 Cnt Nulldurchgang Erzeugen der Kommutierung Schwellwert U TOP 0 0 Kommutierung Kommutierung frühere Kommutierung Nulldurchgang t t Mittels Zähler direkt geregelt Integrationsmethode Symmetrisches Schwellwertverfahren Grenzfall: Nulldurchgang ausserhalb des Intervalls Kommutierung Kommutierung frühere Kommutierung 9 / 18

10 Hardware ADC FPGA Gate Driver IC Coprozessor Treiber Mikrocontroller 10 / 18

11 Hardware ADC FPGA Gate Driver IC und Messverstärker Leistungsteil Motor 11 / 18

12 es. Applications USB 2.0 Device development IP development Digital signal processing General-purpose prototyping platform OEM Module on custom Hardware FPGA Xilinx Spartan-3 XC3S KBit BRAM 30(60) MHz Systemtakt Entwicklungsumgebung: ISE 14.7 Figure 1: Micromodule without SDRAM 12 / 18

13 Erste HDL-Implementierung Mikrocontroller PWM Konfigurationsregister SPI PC ADC ADC Interface Nulldurchgangsdet. Motorstart Taktgen. Kommutierung Kommutierung SM zum Driver IC 13 / 18

14 Motorstart Zwangskommutierung mit ansteigender Frequenz Start mit festem Parameterset (experimentell bestimmt) Parallel: Erkennung von Nulldurchgängen bei erfolgreicher Detektion Übergang zu geregeltem Betrieb 14 / 18

15 Nulldurchgangserkennung Im Abtastfenster kontinuierlicher Vergleich von Sternpunktspannung und Phasenspannung Ergebnisse durchlaufen 6-Bit-Schieberegister Majoritätsbasierte Zustandswahl für obere und untere 3 Bit bei Übergang von 0 nach 1 Signalisierung an Taktgenerator inhärente Erkennung von Früh-/Spätkommutierung durch geeignete Initialisierung 15 / 18

16 Bisherige Ergebnisse Literaturrecherche Einarbeitung in die Thematik Motoransteuerung Inbetriebnahme der Entwicklungsplattform Erste Implementierung als Basis für weitere Untersuchungen 16 / 18

17 Ausblick Ausbau des Motorstart-Algorithmus Aufsynchronisierung auf drehenden Motor Erkennung des Motorzustandes (Blockierung, fehlerhafte Kommutierung) Implementierung weiterer Verfahren zur Nulldurchgangsdetektion und Kommutierung, Bewertung und Vergleich hinsichtlich Ressourcenbedarf und Leistungsfähigkeit 17 / 18

18 Literatur AVR493: Sensorless Commutation of Brushless DC Motor (BLDC) using AT90PWM3 and ATAVRMC100, Atmel Corporation, 12/2006 Jianwen Shao, Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 9/2003 AN1946: Sensorless BLDC Motor Control and BEMF Sampling Methods with ST7MC, STMicroelectronics, Rev. 2, 07/2007 Padmaraja Yedamale, AN885: Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc., 07/ / 18