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Embedded
Boards
Basis für Eigenentwicklungen
Lowcost Frequenzumrichterboard mit IO-Link, CAN Bus, UART
EPC-Boards stellen eine System-Basis dar, um mit minimalem Bauteil- und Softwareaufwand
einen preiswertes Frequenzumrichterboard nach eigenen Vorgaben zu entwickeln, beispielsweise
für Pumpen, Lüfter, Schranken- und Torantriebe in der Homeautomation. Autor: Rolf Kowalsky
Zu den Hardwaremerkmalen des kompakten Designs
(Bild 1) mit einer minimalen Bauteilezahl
zählt das Herzstück, der 32 Bit low cost Cortex
M3 Prozessor mit seiner sehr hohen Rechenleistungsreserve.
Wesentlich auch das integrierte, isoliertes
600 V / 6 A (3 A @ 100 °C) IGBT-Leistungsmodul mit
Shunt, Temperaturmessung und Überstromschutz.
Ebenso ist die Messung von Zwischenkreisspannung
und -strom hardwaremäßig vorgesehen und für die
Kommunikation stehen folgende isolierte Schnittstellen
zur Verfügung: UART, CAN, IO-Link und analoger
Sollwert.
Systemmerkmale der Software
Zur umfangreichen Softwareunterstützung zählen Motorcontrol-Softwareanpassung
und der Support durch
den EPC-Partnerfirma STL sowie die IO-Link Softwareanpassung
und der Support durch die Firma
TMG, die ebenfalls Partner beim EPC-Porgramm ist.
Desweiteren werden geboten:
■ Leistungsfähige Parametrier- und Inbetriebnahme
GUI „STL Drive Pad“ für uneingeschränkten Zugriff
auf alle Systemparameter über UART und CAN Bus
■ IO-Link-Device-Funktionalität durch voll kompatiblen
IO-Link Stack und „TMG Device Tool“ von TMG.
■ Der in der Boardsoftware verwendete f/u Algorithmus
darf von Anwendern in eigenen Applikationen
verwendet werden ohne dass z.B. Lizenzgebühren fällig
werden. Durch Debugschnittstelle auf dem Board
oder UART Bootloader ist außerdem die Verwendung
komplett eigener Software uneingeschränkt möglich.
Die Hardware-Funktionsblöcke
Ausgehend vom Blockschaltbild (Bild 2) werden im Folgenden
die Funktionsblöcke einzeln vorgestellt.
Funktionsblock 1: Das intelligente Leistungsmodul
mit Analogsignalaufbereitung
Das verwendete IRAMS06UP60B-Leistungsmodul
wurde für Anwendungen wie Pumpen, Kleinkompressoren
und Ventilatoren optimiert, wie man sie etwa in
Klima- und Heizungssystemen findet. Natürlich lassen
sich die Vorteile dieses Moduls auch in vielen anderen
Anwendungen nutzen. Da die IRAMS-Module einen
weiten Leistungsbereich abdecken, lässt sich die vorliegende
Schaltung leicht an den gewünschten Leistungsbedarf
anpassen.
Das Modul bietet einen extrem kompakten 3-pasigen
Motortreiber in einem einzigen isolierten Gehäuse.
Dadurch wird der Aufbau einer Motorsteuerung
erheblich vereinfacht. Abgesehen von der kleinen Bauform
ergeben sich Vorteile beim EMV-Verhalten und
der Zuverlässigkeit. Durch die hohe Integration und
die daraus resultierenden kurzen internen Verbindungen
der Leistungshalbleiter werden parasitäre Induktivitäten
auf ein Minimum reduziert.
Optimiertes Schaltverhalten
Dies macht sich in der Anwendung durch optimaleres
Schaltverhalten mit geringeren Schwingungen in den
Schaltmomenten bemerkbar. Eine weitere bemerkenswerte
Vereinfachung für den Aufbau der Gesamtschaltung
ergibt sich durch die internen, optimal auf die
IGBTs abgestimmten Gatetreiber sowie die bereits integrierten
Bootstrapdioden. Um das Modul anzusteuern
und zu kontrollieren reichen daher einfache Logiksignale
aus.
Obwohl das Modul mit einer Logiksignalspannung
von 3,0 V spezifiziert ist, wurde ein Levelshifter verwendet,
der die 3,3-V-Ausgangssignale des Microcontrollers
auf 5 V heraufsetzt. Der verwendete 74HCT14D
ist zwar nur ein Centartikel, erhöht aber die Robustheit
und Störsicherheit des Systems. Da die benötigten 5 V
schon für die Versorgung des Interface Teiles der Schaltung
zur Verfügung stehen, entsteht hier kein weiterer
Aufwand.
Sicherheitsvorkehrungen
Zum Schutz des Moduls und des Systems sind mehrere
Mechanismen eingebaut. Zur Messung des Moduleingangsstromes
ist ein 50 mOhm Shunt bereits integriert.
Die Shuntspannung wird einerseits in die integrierte
Überstromschutzabschaltung geführt und sorgt für einen
unabhängigen Eigenschutz des Moduls. Bei einem
Eingangsstrom von > 10,5 A, der länger als 6 µs fließt,
werden die Treiber abgeschaltet.
Andererseits wird der Messwert über einen Ausgangspin
zugänglich gemacht um dem angeschlossenen
Mikrocontroller als Regel- und Kontrollgröße zur
Verfügung zu stehen. Um eine Ansteuerung der IGBTs
mit einer zu geringen Gatespannung zu verhindern,
wird die 15-V-Logikversorgungsspannung des Moduls
überwacht. Sinkt die Spannung unter 10,4 V ab, werden
die IGBT-Treiber abgeschaltet, und so eine ➔
70 elektronik industrie 04 / 2011
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