Intelligente, effiziente und präzise Motorsteuerung

Die Verbreitung von Elektromotoren in Industrie- und Verbraucheranwendungen hat die Art und Weise, wie wir Maschinen und Geräte bedienen, revolutioniert. Dies hat dazu beigetragen, die Einführung intelligenter Fertigungsanlagen für Industrie 4.0 zu beschleunigen. Diese Motoren erfordern hochentwickelte elektronische Steuerungssysteme, die hochintegriert und kosteneffizient sein müssen und gleichzeitig die erforderlichen Ströme und Spannungen liefern sowie eine präzise Steuerung und einen effizienten Betrieb ermöglichen müssen. Josh Barton, Field Applications Engineer bei Anglia, gibt einen Überblick über die Produktfamilien STSPIN und STDRIVE von STMicroelectronics, ihre Merkmale und Vorteile und wie sie effektiv zum Antrieb und zur Steuerung von Elektromotoren eingesetzt werden können.

Intelligente, effiziente und präzise Motorsteuerung

Die Verbreitung von Elektromotoren in Industrie- und Verbraucheranwendungen hat die Art und Weise, wie wir Maschinen und Geräte bedienen, revolutioniert. Dies hat dazu beigetragen, die Einführung intelligenter Fertigungsanlagen für Industrie 4.0 zu beschleunigen. Diese Motoren erfordern hochentwickelte elektronische Steuerungssysteme, die hochintegriert und kosteneffizient sein müssen und gleichzeitig die erforderlichen Ströme und Spannungen liefern sowie eine präzise Steuerung und einen effizienten Betrieb ermöglichen müssen.

STMicroelectronics ist ein führender Anbieter von Halbleiterlösungen für verschiedene Branchen, darunter E-Mobilität, Industrie und persönliche Elektronik. Eine ihrer Kernkompetenzen ist die Entwicklung und Herstellung von Motorsteuerungs-ICs.

Die Produktfamilien STSPIN und STDRIVE von STMicroelectronics wurden unter Berücksichtigung der Anforderungen moderner industrieller Steuerungsanwendungen wie Industrie 4.0 entwickelt und sind in der Lage, Elektromotoren mit hoher Effizienz und Präzision intelligent anzutreiben und zu steuern.

Josh Barton, Field Applications Engineer bei Anglia, gibt einen Überblick über die Produktfamilien STSPIN und STDRIVE, ihre Merkmale und Vorteile und wie sie effektiv zum Antrieb und zur Steuerung von Elektromotoren eingesetzt werden können.

Gängige Motortypen

Schauen wir uns zunächst einige der heute gebräuchlichen Motortypen und ihre spezifischen Stärken für verschiedene Anwendungen an.

Gleichstrombürste sind der häufigste Motortyp; Diese werden jedoch mittlerweile in vielen Anwendungen durch ersetztBürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) aufgrund von Vorteilen wie höherer Effizienz, leiserem Betrieb und erhöhter Zuverlässigkeit. Diese vielseitigen Motoren werden in Anwendungen eingesetzt, die ein hohes Drehmoment und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern, beispielsweise in der Robotik und bei Elektrowerkzeugen.

Dreiphasen-Induktionsmotoren (ACIM) sind bürstenlose Motoren, die üblicherweise in Industrieantrieben verwendet werden. Diese Motoren zeichnen sich durch Selbstanlauf, zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb aus. Typische Anwendungen sind Industriepumpen und Förderbandsysteme.

Schrittmotorensind darauf ausgelegt, kleine inkrementelle Bewegungen/Schritte auszuführen und nicht nur eine Drehung wie ein herkömmlicher Motor. Sie werden häufig dort eingesetzt, wo eine präzise Positionssteuerung erforderlich ist, beispielsweise in Computerantrieben, im Sicherheitsbereich und in der industriellen Automatisierung.

Geschaltete Reluktanzmotoren werden häufiger in Traktions-, Industriepumpen und Haushaltsgeräten verwendet. Ihr Aufbau ähnelt dem von Schrittmotoren, sie verfügen jedoch über weniger Magnetpole.

Die Motorsteuerungs- und Antriebslösungen von STMicroelectronics eignen sich für alle dieser gängigen Motortypen und mehr.

STSPIN-Produktfamilie

Zunächst werfen wir einen Blick auf die STSPIN-Produktfamilie. Hierbei handelt es sich um eine Reihe integrierter Motortreiber, die für den Antrieb und die Steuerung von bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotoren (BLDC), Schrittmotoren und Einphasen-Gleichstrommotoren konzipiert sind. Diese Produkte integrieren die Leistungselektronik, Steuerelektronik und Schutzfunktionen, die zum Antrieb und zur Steuerung von Motoren erforderlich sind. Die Familie umfasst auch Varianten mit einer eingebetteten STM32-MCU, die eine vollständig integrierte System-In-Package-Lösung bieten.

Die STSPIN-Produktfamilie umfasst verschiedene Geräte, die jeweils auf die spezifischen Bedürfnisse verschiedener Motortypen zugeschnitten sind. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele einiger Geräte, die für einige der gängigeren Anwendungen geeignet sind.

STSPIN230

Bei diesem Gerät handelt es sich um einen Niederspannungs-BLDC-Motortreiber mit dreifacher Halbbrücke und einem Nennstrom von bis zu 1,3 A. Das Gerät integriert Steuerlogik, Antriebs-FETs und Schutz in einem einzigen IC. Siehe Abb.1.

Er ist für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung von 1,8 V bis 10 V ausgelegt und verfügt über umfassende Schutzfunktionen wie verlustfreien Überstromschutz, Kurzschlussschutz, thermische Abschaltung und Verriegelungsfunktion, um Schäden am Motor im Fehlerfall zu verhindern. Ein weiteres wichtiges Merkmal des STSPIN230 ist seine Energiesparfunktion, bei der im Standby-Modus weniger als 80 nA verbraucht werden, wodurch er sich gut für batteriebetriebene Anwendungen eignet. Alle diese Funktionen sind in einem kompakten VFQFPN16-Gehäuse mit den Maßen nur 3 x 3 x 1,0 mm untergebracht, was äußerst kompakte Designs ermöglicht.

Abbildung 1. STSPIN230-Blockdiagramm

Ergänzt wird dieser Treiber-IC durch den STSPIN233, der ein ähnliches Gerät ist, aber drei Shunt-Sensing-Topologien unterstützt und in einen verbrauchsfreien Zustand gezwungen werden kann, was eine deutliche Verlängerung der Batterielebensdauer ermöglicht.

STSPIN830

Für eine erweiterte Motorsteuerung ist der STSPIN830 ein kompakter und vielseitiger dreiphasiger Motortreiber, der für die feldorientierte Steuerung (FOC) geeignet ist. Dieses Gerät ist in einem kompakten 4 x 4 mm großen QFN-Gehäuse untergebracht und integriert die gesamte Steuerlogik und eine vollständig geschützte dreifache Halbbrücken-Leistungsstufe mit niedrigem RDSon. Siehe Abb.2.

Das Gerät ist für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung von 7 V bis 45 V ausgelegt und kann einen maximalen Ausgangsstrom von 1,5 Aeff liefern. Der STSPIN830 unterstützt sowohl Einzel- als auch Drei-Shunt-Architekturen und integriert einen PWM-Strombegrenzer basierend auf vom Benutzer einstellbaren Werten der Referenzspannung und der Ausschaltzeit. Das Gerät kann in einen Zustand mit niedrigem Verbrauch gezwungen werden, wodurch der Gesamtstromverbrauch auf weniger als 45 μA reduziert wird.

Abbildung 2. STSPIN830-Blockdiagramm

Die STSPIN830-Geräte verfügen außerdem über einen dedizierten MODE-Eingangspin, der die Freiheit bietet, zu entscheiden, ob sie über 6 Eingänge (einen für jeden Netzschalter) oder die gebräuchlicheren 3 PWM-Direktantriebseingänge angesteuert werden sollen.

Wie alle anderen Geräte der STSPIN-Familie verfügt auch der STSPIN830 über umfassende Schutzfunktionen für die Leistungsstufen, darunter nicht verlustbehafteter Überstrom, thermische Abschaltung, Kurzschluss, Unterspannungssperre und Verriegelung, was ihn zu einer robusten Lösung für anspruchsvolle Industrieanwendungen macht.

Die STSPIN-Familie ist außerdem Teil des 15-jährigen Langlebigkeitsprogramms von STMicroelectronics (10 Jahre für vollständig integrierte System-In-Package-Lösungen mit STM32-MCU), was Entwicklern Gewissheit über die zukünftige Verfügbarkeit dieser Produkte für ihre Designs gibt.

STDRIVE-Produktfamilie

Die STDRIVE-Produktfamilie ist für Anwendungen konzipiert, bei denen der Benutzer N-Kanal-MOSEFTs, GaN-Transistoren oder IGBT-Geräte mit externer Leistung in verschiedenen Motorsteuerungsanwendungen ansteuern möchte. Diese Gate-Treiber-ICs liefern den notwendigen Strom und die Spannung zum Schalten der Leistungsgeräte, die wiederum den an den Motor angelegten Strom und die Spannung steuern. Auch hier umfasst die STDRIVE-Produktfamilie verschiedene Geräte für unterschiedliche Anwendungsanforderungen.

STDRIVE101

Bei diesem Gerät handelt es sich um einen einkanaligen Low-Side-Gate-Treiber-IC für Niederspannungs-Motorsteuerungsanwendungen. Es ist für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung von 5,5 V bis 75 V ausgelegt und kann einen Strom von bis zu 600 mA (Senke/Quelle) liefern. Er integriert einen Low-Drop-Linearregler, der über seine integrierte Bootstrap-Schaltung die Versorgungsspannung für Low-Side- und High-Side-Gate-Treiber erzeugt. Siehe Abb.3.

Die im Gerät integrierte Steuerlogik ermöglicht zwei Eingangsstrategien (High-Side und Low-Side oder Enable- und PWM-Ansteuersignale). Die Antriebsmethode kann je nach DT/MODE-Pin ausgewählt werden. In beiden Fällen wird die Querleitungsverhinderung durch Verriegelung oder intern erzeugte Totzeit gewährleistet.

Abbildung 3. STDRIVE101-Blockdiagramm

Das Gerät verfügt über verschiedene Schutzfunktionen wie einen Überstromkomparator, eine Unterspannungssperre (UVLO) und eine thermische Abschaltung. Der UVLO-Schutz ist sowohl im Low-Side- als auch im High-Side-Bereich enthalten und verhindert, dass die Leistungsschalter bei geringer Effizienz oder unter gefährlichen Bedingungen funktionieren. Darüber hinaus integriert das Gerät einen eingebetteten VDS-Monitor für jeden externen MOSFET.

STDRIVEG600

Am anderen Ende der STDRIVE-Familie steht der STDRIVEG600, ein Einzelchip-Halbbrücken-Gate-Treiber für GaN-FETs im Anreicherungsmodus oder N-Kanal-Leistungs-MOSFETs. Es ist für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung von 4,75 V bis 20 V ausgelegt und kann bis zu 1,3/2,4 A (Quelle/Senke) Strom typ. bei 25 °C, 6 V oder bis zu 5,5/6 A (Quelle/Senke) Strom liefern typ. bei 25 °C, 15 V. Siehe Abb. 4.

Der High-Side-Bereich ist für eine Spannung von bis zu 600 V ausgelegt und eignet sich für Designs mit einer Busspannung von bis zu 500 V. Das Gerät ist dank seiner hohen Strombelastbarkeit und kurzen Ausbreitung für den Antrieb von Hochgeschwindigkeits-GaN- und Si-FETs konzipiert Verzögerung und Betrieb mit Versorgungsspannungen bis 5 V.

Abbildung 4. STDRIVEG600-Blockdiagramm

Der STDRIVEG600 ist außerdem gut mit Schutzfunktionen wie UVLO sowohl am unteren als auch am oberen Antriebsabschnitt ausgestattet, die verhindern, dass die Leistungsschalter bei geringer Effizienz oder gefährlichen Bedingungen funktionieren, und eine Verriegelungsfunktion verhindert Querleitungsbedingungen. Die Logikeingänge des Geräts sind CMOS/TTL-kompatibel bis 3,3 V für eine einfache Anbindung an Mikrocontroller und DSPs.

Abschluss

Die Produktfamilien STSPIN und STDRIVE bieten Herstellern von Industriesystemen eine bedeutende Chance, die Leistung und Funktionalität ihrer Produkte zu verbessern und die Betriebskosten zu senken. Vor diesem Hintergrund entwickelt STMicroelectronics sein Sortiment an Motorsteuerungs-ICs kontinuierlich weiter. Sie verfügen über eine geeignete, kostengünstige und effiziente Lösung, die für jede Motorantriebsanforderung eine robuste und präzise Steuerung bietet.

Designunterstützung

STMicroelectronics hat außerdem eine Reihe erschwinglicher und benutzerfreundlicher STSPIN- und STDRIVE-basierter Entwicklungstools und Demonstrationsplatinen zur Verfügung gestellt, um Designer zu unterstützen. Viele dieser Evaluierungskarten sind auch mit den STM32 Nucleo-Karten von STMicroelectronics und dem zugehörigen Software-Ökosystem kompatibel.

Darüber hinaus bietet Anglia Unterstützung für Kundendesigns mit kostenlosen Evaluierungskits, Demonstrationsplatinen und Mustern von STMicroelectronics-Produkten über den EZYsample-Service, der allen registrierten Kunden mit Anglia Live-Konto zur Verfügung steht.

Das Ingenieurteam von Anglia steht Entwicklern auch bei Motorsteuerungsdesigns zur Seite und kann Beratung und Unterstützung auf Komponenten- und Systemebene anbieten. Dieses Fachwissen steht Kunden bei allen Aspekten ihrer Designs zur Verfügung und bietet praktische Designunterstützung sowie Zugriff auf eine umfangreiche Ressource an Anwendungshinweisen und Referenzdesigns von STMicroelectronics.

Besuchen Sie www.anglia-live.com oder scannen Sie den QR-Code, um die gesamte Palette der bei Anglia erhältlichen STMicroelectronics-Produkte zu sehen.