Bei Autos, die von mehreren Fahrern genutzt werden, kommt es oft zu Frustration, da der Sitz scheinbar immer auf den anderen Fahrer eingestellt ist. In solchen Fällen sind häufig mehrere Motoren mit Memory-Funktion integriert, sodass jeder Fahrer seine individuelle, bequeme Sitzposition mit einer einzigen Bewegung einstellen kann. Und in Familienvans können dank des Motors selbst die jüngsten Passagiere die Schiebetür problemlos öffnen und schließen.
Obwohl die Vorteile bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC) mittlerweile in allen motorisierten Anwendungen deutlich werden, setzen viele der genannten Anwendungen weiterhin auf Gleichstrommotoren mit Bürsten. Dies liegt daran, dass der höhere Wirkungsgrad den komplexeren Aufbau und die höheren Kosten einer BLDC-Motorlösung nicht rechtfertigt. Bei einer Kraftstoffpumpe, die entlang einer Strecke betrieben wird, liegen die längere Lebensdauer und die Energieeinsparungen eines BLDC-Motors auf der Hand. In Anwendungen, bei denen der Motor nur wenige Sekunden lang, vielleicht ein- oder zweimal entlang der gesamten Strecke, zum Einsatz kommt, sind Gleichstrommotoren mit Bürsten jedoch vorteilhafter.
Die Steuerung von Gleichstrommotoren erfolgt in verschiedenen Bereichen.
Bei der Entwicklung der Elektronik zur Steuerung eines Gleichstrommotors stehen Systemingenieuren zahlreiche Optionen zur Verfügung. Ein Mikrocontroller bildet das Herzstück der elektronischen Steuereinheit (ECU). Er empfängt Steuersignale über CAN oder LIN und wandelt diese in Steuersignale für den Motor um. Diese Ausgänge steuern die Leistungsschalter (üblicherweise MOSFETs), an die der Motor angeschlossen ist. Die MOSFETs sind in einer Halbbrückenschaltung konfiguriert, die es dem Motor ermöglicht, sich in beide Richtungen zu drehen und die Rotordrehzahl mittels Pulsweitenmodulation (PWM) zu steuern. Allerdings liefern diese Logikausgänge nicht genügend Leistung, um die Gates dieser Bauelemente anzusteuern. Daher ist ein Gate-Treiber (Erregerschaltung) erforderlich, dessen Funktion im Wesentlichen darin besteht, die Pegel der Logikausgänge des Mikrocontrollers auf das für den Betrieb der MOSFETs benötigte Niveau zu erhöhen.
Die einfachste Möglichkeit, diese Systeme zu unterteilen, ist nach ihrer Funktion: Mikrocontroller, Vorverstärker und Halbbrücke (Abbildung 2). Ingenieure stehen unter dem Druck, kompaktere und zuverlässigere Designs zu entwickeln, was alternative und stärker integrierte Ansätze erfordert. Die Integration von Mikrocontroller und Vorverstärker ist eine Möglichkeit. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Mikrocontroller-Software oft bereits verfügbar, getestet und sicherheitszertifiziert ist. Daher ist die Übertragung und Rezertifizierung der Software bereits im Gange.
Wenn der Mikrocontroller beibehalten werden muss, bietet sich alternativ ein Motortreiber (MCD) an, der Vorverstärker und Halbbrücke integriert. Diese Architektur ermöglicht es, die Plattform unkompliziert zu erweitern und mithilfe eines kundenspezifischen MCD aus dem Produktsortiment flexibel mehrere Motoren einzusetzen.
Hochintegrierte Halbbrücke mit Vortreiber:
Die kürzlich vorgestellten Bausteine TB9053FTG und TB9054FTG von Toshiba basieren auf der langjährigen Erfahrung des Unternehmens im Bereich Automobilelektronik, die bis in die 1970er-Jahre zurückreicht. Diese Zweikanal-Gleichstrommotortreiber nutzen die robuste BiCD-Technologie, welche die Vorteile von Bipolar-, CMOS- und DMOS-Technologien vereint. Jeder Baustein enthält zwei Halbbrücken, die aus N-Kanal-DMOS-Schaltern bestehen, die zugehörigen Vortreiber sowie diverse Diagnose- und Steuerungsoptionen. Dies entspricht der steigenden Nachfrage nach Treibern, die die Ursache von Fahrzeugproblemen identifizieren und es Erstausrüstern (OEMs) ermöglichen, die Fehlerquelle schnell zu lokalisieren.
Die Geräte können im SMALL-Modus mit bis zu zwei 5-A-Motoren oder im LARGE-Modus mit beiden Kanälen parallel zur Ansteuerung eines Motors mit bis zu 10 A betrieben werden (Abbildung 3). Das BiCD-Verfahren gewährleistet einen entsprechend niedrigen Widerstand der Leistungshalbleiter
(290 mΩ Pfadwiderstand bei Tj = 150 °C für einen Ausgangskanal), um Wärmeentwicklung und -abgabe zu minimieren. Durch die Integration der für die Vortreiber-Ladungspumpen benötigten Kondensatoren wird die Anzahl externer Bauteile reduziert. Diese Konstruktion ermöglicht Tastverhältnisse von bis zu 100 %.
Die Steuerung kann über die PWM-Ausgänge eines Mikrocontrollers erfolgen. Die vier integrierten Halbbrücken verfügen über separate PWM-Eingänge, die mit Frequenzen von 1 kHz bis 20 kHz arbeiten. Timeouts sind automatisch im Gerät integriert, und die übrigen Pins dienen der Gerätekonfiguration sowie der Aktivierung/Deaktivierung. Diese einfache Steuerungsschnittstelle schöpft jedoch das Potenzial des TB905xFTG nicht voll aus.
Die serielle SPI-Schnittstelle bietet Zugriff auf zahlreiche Konfigurationsoptionen und Diagnosedaten sowie die Möglichkeit, mehrere Geräte zur Steuerung von Motorgruppen zu verbinden. Ein Überstromschwellenwert ist als Chopper-Strombegrenzung implementiert, der im SMALL-Modus zwischen 4,6 A und 6,5 A und im LARGE-Modus zwischen 9,2 A und 13,0 A eingestellt werden kann.
Der Motortreiber kann auch vollständig über SPI gesteuert werden (Abbildung 4). Durch die Integration eines 16-MHz-Oszillators und eines PWM-Controllers wird die Anzahl der vom Mikrocontroller benötigten Signale reduziert. Der Taktausgang des Mikrocontrollers kann als Zeitbasis verwendet werden. Sollte dieses externe Signal ausfallen, dient der interne Oszillator als Backup für den Notbetrieb.
Aufgrund der hohen Ströme, die diese Anwendungen kennzeichnen, kann die Einhaltung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine große Herausforderung darstellen. Um den Entwicklungsprozess zu vereinfachen, bietet der TB905xFTG sieben wählbare Anstiegsgeschwindigkeitsstufen für den Ausgang von 1,09 bis 26,25 V/µs (Abbildung 5).
Der geringe Wärmeleitwiderstand minimiert die Wärmeentwicklung. Dank des fortschrittlichen, thermisch optimierten Gehäuses des TB9053FTG wird die gesamte entstehende Wärme effizient abgeführt. Der integrierte Kühlkörper reduziert den Wärmewiderstand auf nur 0,67 °C/W. Dadurch kann in manchen Designs auch die Leiterplatte die erforderliche Wärmeableitung gewährleisten. Das TB9054FTG-Gehäuse ist ein 6 × 6 mm großes, benetzbares VQFN-Gehäuse mit 0,5 mm Rastermaß. Dadurch eignet sich dieses AEC-Q100-Bauteil für die automatisierte optische Inspektion (AOI).
Demnächst verfügbar:
Während BLDC-Motoren in zahlreichen Motoranwendungen zum Einsatz kommen, werden viele Automobilsysteme aufgrund komplexer Konstruktionen und Kosten weiterhin auf herkömmliche 12-V-Gleichstrommotoren setzen. Geräte wie der TB905xFTG nutzen fortschrittliche Prozesstechnologien wie BiCD für eine hochgradig konfigurierbare und effiziente Motorsteuerung. Sie erfüllen zudem die strengen Qualitäts- und Prüfanforderungen der Automobilindustrie und ermöglichen die Entwicklung neuer Plattformen, die auf bestehenden mikrocontrollerbasierten Lösungen und der dazugehörigen zertifizierten Software basieren. Ihre leistungsstarken Diagnosefunktionen gewährleisten außerdem die nahtlose Integration in aktuelle intelligente Automobilplattformen.
Klaus Neuenhüskes, Chief Engineer Solution Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH
