Hardwareaufbau und Softwareentwicklung eines ...geothermiewiki.iai.kit.edu/images/c/c2/Bachelorarbeit_chris_bauer.pdf · Mikrocontroller oder per Hardware mit Logikbausteinen realisiert

Hardwareaufbau undSoftwareentwicklung eines

temperaturbestndigen Servoreglers

Bachelorarbeit

fr die Prfung zum

Bachelor of Engineering

Studiengang MechatronikDuale Hochschule Baden-Wrttemberg Karlsruhe

von

Chris Bauer

Abgabedatum: 12. September 2011Bearbeitungszeitraum: 12 WochenMatrikelnummer, Kurs: 166070, TMT08BAusbildungsfirma: Karlsruher Institut fr Technologie (KIT)Betreuer der Ausbildungsfirma: Dr.-Ing. Jrg IseleGutachter der Dualen Hochschule: Herr Steffen Quadt

Eidesstattliche Erklrung

gem 5 (2) der Studien- und Prfungsordnung DHBW Technik vom 18. Mai 2009. Ichhabe die vorliegende Arbeit mit dem Thema:

Hardwareaufbau und Softwareentwicklung eines temperaturbestndigen Servoreglers

selbstndig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt.

Karlsruhe, den 12. September 2011

Chris Bauer

SperrvermerkDie Ergebnisse der Arbeit stehen ausschlielich dem auf dem Deckblatt aufgefhrten Ausbil-dungsbetrieb zur Verfgung.

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Kurzbersicht

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird ein erster Entwurf eines temperaturbestndigen Ser-voreglers vorgestellt. Zunchst einmal ist es notwendig, die bentigte Hardware mit einergeforderten Spezifizierung fr bis zu 200C Umgebungstemperaturen zu errtern.Fr die Steuerung und Regelung des Servoreglers wird ebenfalls ein temperaturbestndigerMikrocontroller eingesetzt. Dieser soll bei Umgebungstemperaturen von bis zu 200C einge-setzt werden.Probleme existieren hierbei zum einen in der Vielfalt der Komponenten, es sind kaum nochBauteile mit einem spezifizierten Einsatztemperaturbereich von bis zu 200C erhltlich, alsauch in den Lieferbedingungen der erhltlichen Bauteile.Aus diesem Grund wurde die Leistungselektronik zunchst mit einer mglichst hnlichen Stan-dardelektronik aufgebaut.Im zweiten Teil der Bachelorarbeit wird die Software des Hochtemperatur Mikrocontrollersfr den Servoregler erlutert. Es entstand ein erster Programmentwurf, welcher in weiterenSchritten ergnzt und optimiert werden kann.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 11.1 Motivation der Bachelorarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Gegenstand und Ziele dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Grundlagen BLDC Motor 42.1 Aufbau und Funktionsweise BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Ansteuerung BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.1 Grundlegende Elektronik Komponenten . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Maxon EC 22 HD Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Parametervergleich Maxon EC 22 HD mit EC 22 . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Festlegung Parameter fr Motorelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Hochtemperatur Elektronik 153.1 Anforderungsanalyse - Pflichtenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Auswahl geeigneter Hochtemperaturbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2.2 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.3 Halbbrcken-Leistungstreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.4 Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.5 Passive Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 Hochtemperatur Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Ltzinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5 Notwendigkeit Standard Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Standardelektronik 324.1 Anforderungsanalyse Pflichtenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2 Auswahl geeigneter Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2.1 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2.2 Halbbrcken-Leistungstreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.3 Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5 Schaltungsentwicklung 365.1 Halbbrcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

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Inhaltsverzeichnis

5.1.1 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.1.2 Treiberschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.2 Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.2.1 Current-Shunt-Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.2.2 Dimensionierung der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.3 Anpassungen an Hochtemperatur Embedded System . . . . . . . . . . . 475.3.1 Strommessung mittels AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.3.2 Beschaltung der Hall-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.4 Anschluss der Leistungselektronik am Mikrocontroller . . . . . . . . . . 49

6 EMV Probleme / EMV Schutz 516.1 EMV Probleme durch das Schaltungslayout . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.2 EMV Schutz in der Bohrlochsonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7 Softwareentwicklung 547.1 Inbetriebnahme einzelner Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.1.1 Realisierung der Kommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.1.2 PWM Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.1.3 Strommessung mittels AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . 647.1.4 Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.2 Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667.2.1 Aufruf Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.2.2 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.3 Interruptstrukur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.3.1 Interrupt-Prioritten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.3.2 Gesamtaufbau des Servoregler-Programms . . . . . . . . . . . . . 73

8 Motorprfstand 758.1 Verifizierung Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.2 Messungen P-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

9 Zusammenfassung und Ausblick 819.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Literaturverzeichnis 83

A Anhang 87A.1 Ausschnitt Datenblatt Maxon EC 22 HD Motor . . . . . . . . . . . . . . . 87A.2 Datenblatt UT Leistungswiderstnde von SRT . . . . . . . . . . . . . . . 90

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Abbildungsverzeichnis

2.1 Prinzip Gleichstrommaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Grundlegende Funktionsweise BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Blockschaltbild BLDC Motor mit Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 Kommutierungslogic Maxon EC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.5 Einphasiges Ersatzschaltbild BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Vergleich Drehzahlkennlinien Maxon EC 22 HD und EC 22 . . . . . . . . 122.7 Stromrippel erzeugt durch PWM Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Biegen und abschneiden der Pins - SM470R1B1M-HT . . . . . . . . . . . 183.2 Mikrocontroller auf Hochtemperatur Platine . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3 Current-Shunt-Monitor - TI INA271-HT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 Durchlassstrom ber der Temperatur - Semikron SBH 1245TL . . . . . . 293.5 Clifton GaAs Power Diode Hermetic Package . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1 Schaltungslayout Halbbrckentreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.2 Schaltungslayout Current-Shunt-Monitor TI INA 271 . . . . . . . . . . . 445.3 Sallen-Key Tiefpass 1. Ordnung aus INA271 Datenblatt . . . . . . . . . . 455.4 Messbrcke mit PT-1000 fr Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . 475.5 Hall-Sensorbeschaltung auf Hochtemperatur Embedded System . . . . . 485.6 Steckerbelegung Anschluss Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.7 Steckerbelegung Anschluss BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.1 Strungen auf Hall-Sensorsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.2 Kopplungsarten fr Signalstrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.1 Hyperwrfel Gray-Code Hall-Sensorwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.2 Programmablaufplan der Startinitialisierung . . . . . . . . . . . . . . . . 577.3 Programmablaufplan Interrupt Service Routine der Kommutierung . . . 597.4 Generieren eines PWM-Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627.5 Prescaler Configuration HET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.6 Takteingang RTI-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.7 Beispiel Kaskadenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697.8 Programmablaufplan P-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717.9 Programmablauf durch Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

8.1 Motorprfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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8.2 Diagramm zur Verifizierung der Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . 788.3 Testlauf 500 Umin - Strombegrenzung am Netzteil 1,5A . . . . . . . . . . . . 798.4 Testlauf 500 Umin - Strombegrenzung am Netzteil 7,2A . . . . . . . . . . . . 808.5 Testlauf 2000 Umin - Strombegrenzung am Netzteil 7,2A . . . . . . . . . . . 80

Tabellenverzeichnis

2.1 Ausschnitt vom Maxon EC 22 HD Datenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Ausschnitt aus dem Datenblatt des Maxon EC 22 Motors . . . . . . . . . 92.3 Vergleich Maxon EC 22 mit EC 22 HD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Gegenberstellung erhltliche Hochtemperatur Controller . . . . . . . . 173.2 Vergleich geeignete erhltliche Hochtemperatur MOSFETs . . . . . . . . 203.3 Daten Cissiod CHT-Hyperion Halfe Bridge Driver . . . . . . . . . . . . . 25

7.1 Kommutierungslogik BLDC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557.2 TAP-Interrupt-Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

8.1 Messdaten Drehzahlverifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.2 Gemittelte Drehzahlwerte in 6er Schritten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

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1. Einleitung

Elektrische Energie und Wrmeenergie sind aus unserer heutigen Gesellschaft nichtmehr wegzudenken. Sie gehren nahezu schon zu den Grundbedrfnissen eines jedenMenschen.Elektrische Energie wird meist aus fossilen Energietrgern oder durch Kernenergie ge-wonnen. Hierbei ist jedoch bekannt, dass die fossilen Brennstoffe einen endlichen Ener-gietrger darstellen. Ebenso sind die Gefahren, welche von der Kernenergie ausgehenknnen, bekannt. Als aktuelles Beispiel ist hier das Unglck vom Mrz 2011 in Fukus-hima zu nennen.Um in Zukunft gengend Energie auf sicherem Wege erzeugen zu knnen, versuchtman auf regenerative Energiequellen umzusteigen. Eine mgliche regenerative Ener-giequelle ist die Geothermie. Hierbei handelt es sich um die im zugnglichen Teil derErdkruste gespeicherte Wrme.

1.1. Motivation der Bachelorarbeit

Um mittels Erdwrme elektrische Energie erzeugen zu knnen, muss in tiefere Teufen1

gebohrt werden, damit wrmere Gebiete in der Erdkruste erreicht werden. Die Tempe-ratur steigt mit der Bohrlochtiefe proportional an.Hierbei werden in Teufen von 5000m Temperaturen von bis zu 200C erwartet. Werdenfr die Geothermieanwendung solche Teufen erreicht, spricht man von der Tiefen Geo-thermie.Hierbei handelt es sich um ein weitgehendst unerforschtes Gebiet, da die widrigenUmgebungsbedingungen in solch tiefen Bohrlchern (bis zu 600bar Druck und 200CUmgebungstemperatur) das Vorhaben deutlich erschweren.Im Rahmen des Projekts Zwerg wird versucht mehr Informationen aus diesen Teufenzu errtern. Ein Problem stellen hierbei die bentigten Elektronikkomponenten dar.Es werden derzeit zwei verschiedene Lsungskonzepte verfolgt, um das Problem derUmgebungsbedingungen in den Griff zu bekommen. Ein Ansatz ist die Isolierung und

1Teufe ist die bergmnnische Bezeichnung fr die Tiefe. [27]

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1.2. Gegenstand und Ziele dieser Arbeit

Khlung bestimmter Sondenabschnitte um Standardelektronik verwenden zu knnen.Im anderen Ansatz wird versucht eine Elektronik auf Basis fr diese Randbedingungenspezifizierter Bauteile aufzubauen.Ziel ist es der Industrie und Forschung ein Baukasten aus components of the shell(cots) zur Verfgung zu stellen, um die Forschungsarbeiten zu erleichtern.Hierbei werden unter anderem auch Aktoren bentigt um gewisse Aufgaben, beispiels-weise Pumpen einer Khlflssigkeit innerhalb der Sonde, zu realisieren.

1.2. Gegenstand und Ziele dieser Arbeit

Seit Anfang des Jahres 2011 ist ein brstenloser Gleichstrommotor in Hochtemperatur-ausfhrung von der Firma Maxon erhltlich. Eine entsprechende Regelung fr dieseUmgebungsbedingungen wird jedoch nicht bereit gestellt.Ziel dieser Bachelorarbeit ist es einen temperaturbestndigen Servoregler fr brsten-lose Gleichstrommotoren aufzubauen. Besonders bei der Leistungselektronik, welcheselbst Abwrme an die Umgebung gibt, wird versucht, diese aus dem gekhlten Be-reich der Sonde auszulagern.In einer Studienarbeit von Jochen Antons wurden aktuelle Servoregler auf ihren Funk-tionsumfang geprft, sowie grundlegend notwendige Bauteile errtert, die fr den Be-trieb eines brstenlosen Gleichstrommotors bentigt werden.[1]In dieser Bachelorarbeit wird versucht, die Elektronik in Hochtemperaturausfhrungaufzubauen und ein erster Programmentwurf auf einem Hochtemperatur Mikrocon-troller umgesetzt.

1.3. Gliederung der Arbeit

Nach der Einfhrung im ersten Kapitel wird im Kapitel zwei auf die Grundlagen vonbrstenlosen Gleichstrommotoren eingegangen, sowie der von Maxon Motor erhltlichHochtemperatur Motor EC 22 HD erlutert. Im folgenden Kapitel werden auf Basisdes Grundlagenwissens die fr den Betrieb notwendigen Komponenten in Hochtem-peraturausfhrung vorgestellt.Aufgrund der schwierigen Lieferbedingungen wird im Kapitel vier auf die ersatzweiseaufgebaute Standardelektronik des Leistungsteils eingegangen. Im folgenden Kapitelwird die Dimensionierung der Elektronik Schaltung und das Schaltungslayout erlu-tert.

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1.3. Gliederung der Arbeit

Danach wird auf die Implementierung der Software auf dem Hochtemperatur Mikro-controller eingegangen, sowie Problemstellen im Schaltungslayout aufgezeigt.Abschlieend werden einige Testreihen vorgestellt, ein kurzes Statement, sowie einAusblick auf weiterfhrende Arbeiten am temperaturbestndigen Servoregler gege-ben.

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2. Grundlagen BLDC Motor

2.1. Aufbau und Funktionsweise BLDC Motor

Bei einem brstenlosen Gleichstrommotor, auch Brushless DC Motor (BLDC) genannt,sind zur Kommutierung keine Brsten vorhanden, sondern es wird eine elektronischeSchaltung bentigt. Aus diesem Grund ist auch die Bezeichnung EC-Motor fr elec-tronically commutated gelufig. Vom prinzipiellen Aufbau entspricht ein BLDC Mo-tor dem einer permanenterregten Synchronmaschine. [37]Beim Kommutiervorgang in Gleichstrommaschinen wird die Stromrichtung im Ankerumgepolt. Dies ist notwendig, um bei Drehbewegung ein Drehmoment in die gleicheRichtung erzeugen zu knnen. Die physikalische Grundlage hierzu besteht darin, dasssich entgegengesetzte Pole anziehen und gleiche abstoen. Will man die Kraft in ei-ne Richtung trotz Drehbewegung aufrecht erhalten, ist es ab einem gewissen Winkelnotwendig den Stromfluss, welcher im Anker den magnetischen Fluss erzeugt, umzu-polen bzw. zu verndern. [34]

Abbildung 2.1.: Prinzip Gleichstrommaschine [39]

Der mechanische Kommutator besteht aus Brsten und Schleifringen. In Abbildung 2.1sind in braun die Schleifringe, sowie in rot und blau in der Mitte an der Versorgungs-spannung die Brsten zu erkennen. Die mechanische Kommutierung weist mit zuneh-mender Betriebsdauer einen Verschlei an den Brsten und Schleifringen auf.

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2.2. Ansteuerung BLDC Motor

Brstenlose Motoren hingegen arbeiten nahezu verschleifrei, allerdings bedarf es ei-ner aufwendigen Elektronik um das Drehfeld zu erzeugen.

Abbildung 2.2.: Grundlegende Funktionsweise BLDC Motor [37]

In Abbildung 2.2 ist der Aufbau eines BLDC Motors zu erkennen. Er besteht aus min-destens 3 Wicklungen im Stator und einem Permanentmagneten mit mindestens einemPol im Anker. Zur Lagenerkennung knnen zustzliche Sensoren, z.B. Hall-Elementeam Lufer angebracht sein.Um beim BLDC Motor eine Drehbewegung zu erzeugen, werden die Wicklungen imStator je nach Luferposition mit Strom beaufschlagt. Der Lufer richtet sich nach demmagnetischen Fluss, welcher durch die Wicklungen im Stator erzeugt wird, aus. DieSchalter V1-V6 (auch als 6-Puls-Brckenschaltung bezeichnet) knnen abwechselnd soangesteuert werden, dass das Ausrichten des Lufers in einer Drehbewegung resultiert.


2.2.1. Grundlegende Elektronik Komponenten

Die Elektronikkomponenten eines Servoreglers lassen sich in zwei Bereiche gliedern.Ein Bereich ist die Leistungselektronik, welche den Motor direkt mit elektrischer Leis-tung versorgt. Der zweite Bereich ist die Kleinsignalelektronik oder auch Steuerelek-

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tronik genannt, welche die Kommutierungs- und Regelungsaufgaben bernimmt.

Abbildung 2.3.: Blockschaltbild BLDC Motor mit Elektronik [19]

Leistungselektronik

Als Leistungsschalter (in Abbildung 2.2 als V1 bis V6 bezeichnet) kommen Transisto-ren, beispielsweise Feldeffekttransistoren bzw. MOSFETs (Metal Oxide SemiconductorField-Effect Transistoren) zum Einsatz. Diese Transistoren werden ber das Gate miteiner Spannung gesteuert.Um den Stromkreis ber die Motorspulen herzustellen werden 3 Halbbrcken, beste-hend aus 2 MOSFETs, bentigt. Um die Motorwicklungen mit Strom zu versorgen mussimmer in zwei verschiedenen Halbbrcken jeweils ein MOSFET durchgeschaltet sein(siehe Abbildung 2.3).

Steuerelektronik

Die Kommutierungslogik (siehe Abbildung 2.4) kann entweder per Software auf einemMikrorechner bzw. Mikrocontroller oder per Hardware mit Logikbausteinen realisiertwerden. In der Geothermie Hochtemperaturanwendung wird versucht mit mglichwenigen Halbleiterbauteilen auszukommen. Aus diesem Grund wird die Kommutie-rungslogik mit einem Mikrocontroller in Software realisiert. Zur Kommutierung wirddie aktuelle Position des Lufers bentigt. Diese wird im Falle des verwendeten MaxonEC 22 HD Motors von drei Hallsensoren detektiert, wodurch sich eine Auflsung in 60Schritten ergibt.

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Abbildung 2.4.: Kommutierungslogic Maxon EC Motor [17]

Die Aufgabe der Elektronik beim Kommutieren besteht darin, die Position auszule-sen und das Drehfeld ber die Leistungselektronik stndig anzupassen. (siehe Abbil-dung 2.3) Da die Position des Rotors nur in 60 Schritten aufgelst werden kann, wirdder Motor mit Blockkommutierung betrieben. Blockkommutierung bedeutet, dass dieStatorwicklungen so mit Strom beaufschlagt werden, dass das resultierende elektro-magnetische Feld des Stators in 60 Schritten wandert. Hierdurch entsteht ein Drehmo-mentrippel von ca. 14%, da die Position des Rotors im Bezug auf das magnetische Feld,und die damit resultierende Kraft, nicht immer identisch ist. [17]Damit ein Strom durch die Motorwicklungen fliet, mssen immer zwei Leistungs-schalter geschlossen sein. Ein Schalter an Plus und ein Schalter der an Minus angebun-den ist ergeben den Stromkreis (siehe Abbildung 2.3). Durch eine Sternverschaltungder Motorwicklungen fliet der Strom somit durch zwei Motorspulen.Zustzlich zur Kommutierungslogik muss die Steuerelektronik, bzw. der Mikrocon-troller, die Regelung der Drehzahl oder Positionieraufgaben bernehmen. Auerdemwird in der Hochtemperaturanwendung eine berwachung der Umgebungstempera-tur notwendig sein, um die Regelparameter des Motors gegebenenfalls anpassen zuknnen.

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2.3. Maxon EC 22 HD Motor

2.3. Maxon EC 22 HD Motor

Seit Anfang 2011 ist im Maxon Motorenprogramm der Maxon EC 22 HD Motor er-hltlich. EC steht hierbei fr electronically commutated also fr einen brstenlosenGleichstrommotor. HD wird mit Heavy Duty fr harsche Umgebungsbedingungenals Zusatz angegeben. Die Zahl 22 gibt den Auendruchmesser von 22mm des Elek-tromotors an. Von diesem Motortyp ist eine Variante welche in Luft, sowie eine die inl funktioniert, erhltlich. Die maximale Dauerleistung bei 25C Umgebungstempera-tur, des in l gelagerten Motors, betrgt 240 Watt. Bei 200C Umgebungstemperaturknnen noch ca. 80W Dauerleistung abgegeben werden. Fr die Anwendung in derGeothermie Bohrlochsonde wird der Motor fr Anwendungen in l verwendet, da diekomplette Sonde mit l befllt wird. Als Referenzmedium gibt Maxon das Shell Tellusl T15 an. Dieses l wurde bestellt und ist bereits fr sptere Tests mit dem EC 22 HDvorhanden. Bei Hochtemperaturtests mit diesem l sollte jedoch auf die Entzndlich-keit bei hohen Temperaturen geachtet werden. Der Flammpunkt des ls betrgt 170C.

Tabelle 2.1.: Ausschnitt vom Maxon EC 22 HD Datenblatt [18]

Die Motoren knnen in einer Version mit oder ohne Hall-Sensoren bestellt werden. Frdie Anwendung in der Geothermie Bohrlochsonde ist der Motor mit Hall-Sensoren bes-ser geeignet, da dieser auch im Start-/Stoppbetrieb verwendet werden soll. Die Motor-variante mit Hall-Sensoren erreicht eine Gesamtlnge von ca. 90mm.Fr die Dimensionierung der Leistungselektronik, an welche der EC 22 HD Motor an-

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2.4. Parametervergleich Maxon EC 22 HD mit EC 22

geschlossen wird, sind die Nennspannung von 48V und der Nennstrom von 1,88A (sie-he Tabelle 2.1 letzte Spalte) bei 200C Umgebungstemperatur zu beachten.Der EC 22 HD Motor wurde im April bestellt und soll voraussichtlich im August gelie-fert werden. Aufgrund der Ungewissheit, ob der Motor zu diesem Zeitpunkt geliefertwird, wurde das Niedertemperaturderivat EC 22, bei Maxon Motor bestellt.Mit diesem Motor knnen erste Tests mit dem Servoregler erfolgen. Bei der Program-mierung der Regelung ist hierbei auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Motorenzu achten, weshalb im nchsten Kapitel ein kurzer Vergleich zwischen diesen beidenMotoren erfolgt.


In diesem Kapitel wird kurz auf die Unterschiede zwischen dem EC 22 und dem EC22 Heavy Duty Motor eingegangen. Der EC 22 Motor wird, bis der EC 22 HD Motorgeliefert wird, fr die Softwareentwicklung als Testmotor verwendet.

Tabelle 2.2.: Ausschnitt aus dem Datenblatt des Maxon EC 22 Motors [21]

Beim normalen EC 22 Motor kann beim Kauf zwischen verschiedenen Nennspannun-gen entschieden werden. Bei der gekauften Version handelt es sich um die Version miteiner Nennspannung von 48V (siehe Tabelle 2.2 roter Kasten). Bei den Motordaten wer-den fr die Gegenberstellung die wichtigsten Werte bei 25C Umgebungstemperaturverglichen (vgl. Tabelle 2.3).

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EC 22 HD EC 22 EC 22 angepasstNennspannung 48 V 48 V 20 VLeerlaufdrehzahl 12900 Umin 32200

Umin 13440

Umin

Nenndrehzahl 8560 Umin 30100U

min -Nennstrom 4,53 A 3,33 A -Nennmoment 149 mNm 45,8 mNm -Anlaufstrom 13,4 A 60,2 A 25,1 AAnschlusswiderstandPhase-Phase

3,59 0,797 0,797

AnschlussinduktivittPhase-Phase

0,357 mH 0,188 mH 0,188 mH

Drehzahlkonstante 278 UminV 672U

minV 672U

minVDrehmomentkonstante 34,3 mNm A 14,2 mNm A 14,2 mNm AKennliniensteigung 29 UminmNm 37,7

UminmNm 37,7

UminmNm

Tabelle 2.3.: Vergleich Maxon EC 22 mit EC 22 HD

Von den elektrischen Parametern abgesehen, sollte der verwendete Motor einen Au-endurchmesser von 22mm sowie einen Wellendurchmesser von 4mm aufweisen. Trifftdies nicht zu, msste zustzlich zu den nderungen im elektrischen Aufbau auch dermechanische Prfstandaufbau an den Niedertemperaturmotor angepasst werden.Im Folgenden wird auf die elektrischen Unterschiede zwischen den Maxon EC 22 HDund EC 22 Motoren nher eingegangen.Mit der angelegten Spannung und der Drehzahlkonstante, lsst sich mit einer Nhe-rung auf die Leerlaufdrehzahl zurckrechnen:

n0 = kn U [17] (2.1)

n0 ...Leerlaufdrehzahl [ Umin ]kn ...Drehzahlkonstante [ UminV ]

U ...angelegte Versorgungsspannung [V]

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Mit dem Anlaufstrom und der Drehmomentkonstante lsst sich das Anhaltemomenterrechnen:

MH = kM IA [17] (2.2)

MH ...Anhaltemoment [mNm]kM ...Drehmomentkonstante[ mNmA ]

IA ...Anlaufstrom [A]

Der Anlaufstrom lsst sich aus der angelegten Spannung und dem Anschlusswider-stand Phase-Phase errechnen.Im Anlaufmoment kann die Motorinduktivitt (hier L1), aufgrund stationren Verhal-tens und die Induktionsspannung vom Polrad (UP), da noch keine Drehbewegung vor-handen ist, vernachlssigt werden.

Abbildung 2.5.: Einphasiges Ersatzschaltbild BLDC Motor

Fr den Anlaufstrom gilt: IA =USR

Mit den genannten Parametern kann die Drehzahlkennlinie bei konstanter Spannungin einem Diagramm dargestellt werden. Die Werte bercksichtigen noch keine Tole-ranzen oder Temperatureinflsse, reichen aber dennoch fr eine berschlagsmssigeBetrachtung aus. In Abbildung 2.6 ist in einem Diagramm ein Vergleich der beidenMotoren mittels Drehzahlkennlinie dargestellt.Die Leerlaufdrehzahl n0 des EC 22 Motors wird auf das Niveau des EC 22 HD Motorsherabgesetzt, indem die angelegte Spannung auf 20V reduziert wird.

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2.5. Festlegung Parameter fr Motorelektronik

Durch verndern der angelegten Spannung wird eine Parallelverschiebung der Dreh-zahlkennlinie bewirkt. Dies ist fr den Motor unproblematisch, da DC Motoren mitbeliebigen Spannungen betrieben werden knnen.Aus dem Diagramm in Abbildung 2.6 sind auch die unterschiedliche Kennlinienstei-gung nM zu erkennen. Anhand der Kennliniensteigung lsst sich ein direkter Vergleichzwischen verschiedenen Motoren aufstellen. Hierbei lsst sich generell sagen, je kleinerdie Steigung, desto unempfindlicher reagiert die Drehzahl auf Last- bzw. Drehmomen-tnderungen und desto krftiger ist der Motor. [21]Bei der Programmierung des Servoreglers ist darauf zu achten, dass alle Motor abhn-gigen Parameter so einfach wie mglich vom EC 22 an den EC 22 HD Motor angepasstwerden knnen.

Abbildung 2.6.: Vergleich Drehzahlkennlinien Maxon EC 22 HD und EC 22


Fr die Motorelektronik werden einige Eckdaten fr den Betrieb des Motors von derDimensionierung festgehalten, um die Elektronikkomponenten besser auswhlen zuknnen.Als Kommutierungsart wird Blockkommutierung gewhlt. Eine Sinuskommutierungist mit der derzeitigen Rotorlageauflsung mittels den Hall-Sensoren in 60 Schritten

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nicht mglich, es mssten hierfr Signale von Encoder oder Resolver zur Rotorlagen-auflsung zur Verfgung stehen. [17]Die Motorspulen werden bei der Blockkommutierung mit einem Pulsweitenmodulier-ten Singal (PWM) bestromt. Hierbei lsst sich die Drehzahl ber das Verhltnis vonImpulsdauer zur Periodendauer (Tastverhltnis) des PWM-Signals verstellen.Die Spannung und somit die Drehzahl, welche am Motor anliegt, stellt sich Proportio-nal zum Tastverhltnis des PWM-Signals ber die Motorinduktivitt ein.Es entstehen hierbei jedoch sogenannte Stromrippel, wie in Abbildung 2.7 zu erkennenist. Die gewhlte Frequenz des PWM-Signals hngt deshalb unter anderem von der In-duktivitt der Motorwicklungen, einem Motor abhngigen Parameter, ab.

Abbildung 2.7.: Stromrippel erzeugt durch PWM Signal [15]

In der Gleichung 2.3 wird ersichtlich, welche Parameter die Gre der Stromrippel be-einflussen.

Imax =Vcc

2 fPWM (LMot + LAdd)[15] (2.3)

Imax ...maximal auftretende Stromschwankungen [A]VCC ...Spannung Motor [V]

fPWM ...Frequenz des PWM Signals [Hz]LMot ...Induktivitt der Motorwicklung [H]LAdd ...Zustzliche Drosselinduktivitt [H]

Maxon empfiehlt fr kleine Motoren eine PWM Frequenz zwischen 39kHz und 60kHz,damit die entstehenden Stromrippel nicht zu gro werden. Dies htte eine Aufwr-mung des Motors zur Folge. [15]

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Aus diesem Grund wird als PWM-Frequenz fr den Hochtemperatur Brushless DCRegler 50kHz festgelegt. Setzt man nun die Werte des Maxon EC 22 HD Motors (Ab-schnitt A.1) in die Gleichung 2.3 ein, so erhlt man als Ergebnis maximale Stromrippelvon 1,34 A.In der ersten Testphase wird zustzlich der Maxon EC 22 Motor eingesetzt. Die Mo-torwicklungen haben bei diesem Motor eine deutlich geringere Induktivitt (siehe Ta-belle 2.2) . Die Berechnung mit der Gleichung 2.3 ergibt bei diesem Motor maximaleStromrippel von 4,07 A.Sind die Stromrippel zu hoch knnen in den Stromkreis, zustzlich zur Motorindukti-vitt, in Reihe Drosselinduktivitten integriert werden. [15]Im Datenblatt des 1-Q-EC Verstrker DEC Modules 50/5 von Maxon wird die Glei-chung 2.4 angegeben. Mit dieser Gleichung kann die bentigte Indutkivitt errechnetwerden. Ist das errechnete Ergebnis negativ oder Null, so wird keine zustzliche In-duktivitt bentigt. Ansonsten kann die bentigte zustzliche Drosselinduktivitt di-rekt aus dem Ergebnis abgelesen werden. [20]

LPhase 0, 5 (VCC

6 fPWM IN (0, 3 LMotor)) [20] (2.4)

LPhase ... zustzliche externe Induktivitt pro Phase [H]VCC ...Spannung Motor [S]

fPWM ...Frequenz des PWM Signals [Hz]LMot ...Induktivitt der Motorwicklung [H]

Setzt man die Werte des EC 22 HD Motors in die Gleichung 2.4 ein, so erhlt man einErgebnis von -36H. Dies bedeutet bei einer PWM-Frequenz von 50kHz werden keinezustzlichen Drosselinduktivitten bentigt.Beim EC 22 Motor von Maxon erhlt man mit obiger Gleichung 2.4 als Ergebnis 6,3H.Es wird also eine externe zustzliche Drosselinduktivitt bentigt. Es werden hierfr10H Spulen eingesetzt, da eine grere Induktivitt keinen Nachteil mit sich bringt.Die errechneten Stromrippel von Gleichung 2.3 verringern sich mit der zustzlichenInduktivitt von 4,07A auf 3,75A. Die Stromrippel des EC 22 Motors sind trotz der zu-stzlichen Induktivitt noch deutlich grer als die Stromrippel des HochtemperaturMotors.

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3. Hochtemperatur Elektronik

3.1. Anforderungsanalyse - Pflichtenheft

Die wichtigsten Parameter fr die Auswahl von geeigneten Komponenten fr den Ser-voregler sind die Umgebungsbedingungen und der verwendete Maxon EC 22 HD Elek-tromotor. Es lassen sich folgende Anforderungsspezifikationen an die Hochtemperatu-relektronik stellen:

Anforderungen nach Umgebungseinflssen:

Komponenten fr Umgebungstemperaturen bis 200C spezifiziert

Vibrationsfestigkeit der Ltstellen und Platine

Lebensdauer mindestens 1000h bei 200C

Anforderungen nach Motordaten:

Maximaldrehzahl fr Kommutierung betrgt 13900 Umin

Maximaler Dauerstrom Maxon EC 22 HD bei 25C betrgt 4,53A

Maximaler Dauerstrom Maxon EC 22 HD bei 200C betrgt 1,88A

Maximaler Anlaufstrom Maxon EC 22 HD 13,4A bei 25C

PWM Frequenz fr Blockkummutierung betrgt 50kHz

Nennspannung des Motors betrgt 48V

Anforderungen an Elektronik nach Regelungsaspekten:

Fr Drehzahlregelung min 3 PWM-Ausgnge

AD-Wandler Eingang fr Strommessung

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3.2. Auswahl geeigneter Hochtemperaturbauteile

3 Interrupt fhige Eingnge fr Hallsensoren

3 Ausgnge um Halbbrcken zu aktivieren/deaktivieren

Temperaturmessung und Anpassung der Regelung nach Temperatureinflssen

Kurzschlussschutz in Hardware durch Halbbrckentreiber

Alle Komponenten, welche fr die Funktionalitt notwendig sind, mssen fr dieseRandbedingungen geeignet sein. Hierzu zhlen auch die Verbindungstechnik und dieLeiterplatte.Die Hardware fr die Temperaturmessung wurde schon in einer Projektarbeit auf derPlatine des Hochtemperatur Embedded Systems integriert. Die Temperaturmessungmuss in dieser Arbeit nicht dimensioniert werden. [2]


Grundlegend lsst bei der Auswahl der Hochtemperaturkomponenten sagen, dass dieVielfalt an Bauteilen fr diesen Temperaturbereich stark eingeschrnkt ist. Nur wenigeHersteller bieten Halbleiterbauteile fr diesen Temperaturbereich an.

3.2.1. Mikrocontroller

Der Mikrocontroller des Servoreglers muss ebenfalls den in Abschnitt 3.1 genanntenAnforderungen entsprechen. Texas Instruments bietet einen Mikrocontroller mit ARM7Core und einem Einsatztemperaturbereich von -55C bis +220C an. Der Controller istin einem Keramikgehuse oder als KGD1 erhltlich. Der Funktionsumfang der Variantemit Gehuse ist deutlich geringer, verglichen mit dem direkten Halbleiterchip, da nichtalle Anschlsse nach auen gebondet werden. Fr den Hochtemperatur Servoregler istder Funktionsumfang mit Gehuse dennoch ausreichend.Im Rahmen einer Projektarbeit im 4. Semester wurde ein Hochtemperatur EmbeddedSystem auf Basis des TI SM470R1B1M-HT Mikrocontrollers entwickelt.[2] Dieses wirdfr den Servoregler in der Bachelorarbeit zur Regelung der Drehzahl und Steuerungder elektronischen Kommutierung verwendet. Hierfr wird es um die notwendigenLeistungsbauteile auf einer zustzlichen Platine ergnzt.Derzeit sind die in der Tabelle 3.1 aufgezeigten Hochtemperatur Controller erhltlich.

1KGD bedeutet Known Good Die. In der Mikroelektronik wird hiermit ein Halbleiter bezeichnet, der, bevorer in einem Gehuse untergebracht wird, als fehlerfrei qualifiziert wird. [36]

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HoneywellHT83C51

TexasInstrumentsSM470R1B1M-HT

TexasInstrumentsSM320F2812-HT

TexasInstrumentsSM320F28335-HT

Controllerart 8BitMikrocontroller16/32BitMikrocontroller DSP 32Bit CPU DSC 32Bit CPU

Max. Frequenz 16MHz 60MHz(Pipeline Mode) 150MHz 100MHz

ROM 8K Byte MaskROM1M-Byte Pro-gram Flash

Up to 128K 16Flash 1K 16OTP ROM

256K x 16 Flash1K x 16 OTPROM

RAM 256 Bytes RAM 64K-Byte StaticRAM (SRAM)34K x 16 SA-RAM 2

4K 16 RAM8K 16 SA-RAM 1K x 16SARAM

AD-Wandler(Bit/Kanle) - 10/12 12/16 12/16

Temperatur-bereich -55C bis 225C -55C bis 220C -55C bis 220C -55C bis 210C

Lebens-erwartung

ber denkomplettenTemperaturbe-reich 5 Jahregarantiert

Bei 220C Junc-tiontemperaturca. 1000h



Tabelle 3.1.: Gegenberstellung erhltliche Hochtemperatur Controller2SARAM= Single-Access RAM: Memory space that only can be read from or written to in a singleclock cycle. [31]

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In der vorangegangenen Projektarbeit im 4. Semester wurde die Entscheidung Auf-grund des Funktionsumfangs fr den TI SM470R1B1M-HT Mikrocontroller getroffenund fr diesen Controller ein Layout entwickelt. Der digitale Signal Controller (DSC)von TI wurde erst nach Ende der Projektarbeit verffentlicht und war zum Zeitpunktder Entscheidung nicht bekannt. Die Motorregelung kann jedoch problemlos mit demgewhlten Mikrocontroller realisiert werden. Ein Umstieg auf den digitalen Signal Con-troller wre zu einem spteren Zeitpunkt, wenn die Regelung sehr aufwendig werdensollte, denkbar. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit ist diese Umsetzung auf einen ande-ren leistungsfhigeren Controller nicht notwendig und zeitlich nicht zu realisieren.

Um den Controller auf der Platine verlten zu knnen, mssen zunchst die Pins ge-bogen und abgeschnitten werden (siehe Abbildung 3.1).

Abbildung 3.1.: Biegen und abschneiden der Pins - SM470R1B1M-HT

Anschlieend kann der Mikrocontroller auf der Hochtemperaturplatine, welche vonBrockstedt aus einem Polyimid-Glas-Trgermaterial gefertigt wurde, aufgeltet wer-den.

Abbildung 3.2.: Mikrocontroller auf Hochtemperatur Platine

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3.2.2. MOSFETs

Das wichtigste Bauteil der Leistungselektronik sind die eigentlichen Leistungsschalter,welche die Motorspulen mit Strom beschalten (siehe Unterabschnitt 2.2.1 Grundlegen-de Elektronik Komponenten).Als Schalter werden MOSFETs eingesetzt, welche fr den genannten Spannungs- undStrombereich des zu betreibenden Motors ausgelegt sein mssen. Zustzlich muss dieStrombelastbarkeit, besonders bei den Umgebungstemperaturen von bis zu 200C, be-achtet werden. Die MOSFETs mssen hier gengend Reserven aufweisen, wobei einmglichst geringer Widerstand von Drain to Source (RDSon) vorteilhaft ist.Zustzlich sollten die Schaltzeiten der MOSFETs mglichst kurz sein, um die Verlus-te beim Schalten des PWM-Signals mglichst gering zu halten. Whrend des Ein- undAusschaltvorgangs wird der Ohmsche Bereich des Transistors durchfahren. Der MOS-FET verndert in Abhngigkeit der angelegten Spannung am Gate den Ohmschen Wi-derstand RDSon. Der Widerstand sollte ber einen sehr kurzen Zeitraum ansteigen odersinken, wobei dann nur kurzfristig eine groe Verlustleistung ber dem MOSFET ab-fllt. Die Schaltzeit verhlt sich proportional zu den Verlusten beim Schalten. Sind dieSchaltzeiten sehr schnell, ist die Verlustleistung sehr gering.

Anforderungen an die MOSFETs zusammengefasst:

Umgebungstemperaturen bis zu 200C

Min. 48V Sperrspannung von Drain to Source

Min 5A Drain Dauerstrom bei 25C Umgebungstemperatur

Min 2A Drain Dauerstrom bei 200C Umgebungstemperatur

Schaltzeiten mglichst kurz aufgrund dynamischer Belastung

Der maximale Dauerstrom ist fr den Betrieb mit einem PWM-Signal nicht die Belas-tungsgrenze. Er gibt jedoch eine grobe Richtung ber die Belastungsgrenze, aufgrunddes Widerstands RDSon und des thermischen bergangswiderstands von Junction toCase, an.Hochtemperatur MOSFETs, welche bis zu 200C Umgebungstemperatur funktionieren,werden derzeit von drei Herstellern angeboten. Nach den Einflussgren Spannung

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und Umgebungstemperatur sortiert, bleiben noch drei MOSFETs, welche mit dem Mo-tor verwendet werden knnten, brig. Diese werden nachfolgend tabellarisch vergli-chen.

HoneywellHTNFET

CISSOIDCHT-NMOS8010 X-RELXTR204112

Temperaturbereich -55C bis +300C -55C bis + 300C -60C bis +230CDrain Spannung Bis 60V Bis 80V Bis 70V

Drain Strom 25C Max. 1A, Conti-nuous13,5A 1s pulse,Tj=25C

20A 2s pulse,Tj=25C

Drain Strom 200C Max. 1A, Conti-nuous9A 1s pulse,Tj=225C

12A 2s pulse,Tj=230C

SteuerspannungGate VGS

5V 5V 5V

On-Time(tdOn + tr)

30ns 110ns 90ns @Tj=230C

Off-Time(tdO f f + t f )

84ns 181ns 60ns @Tj=230C

RDS(on) @Tj=25C 0,4 0,24 0,1RDS(on) @Tj=225C Angabe fehlt 0,44 0,21Package 4-Pin-Power-Tab TO 254 6-lead TO257

Besonderheiten

Drain Strom An-gabe nicht bekanntfr welche Tempe-ratur

Passende Treiberebenfalls erhltlich

Mit integriertenTreibern, Nochnicht erhltlich

Tabelle 3.2.: Vergleich geeignete erhltliche Hochtemperatur MOSFETs

Alle erhltlichen Hochtemperatur MOSFETs sind Logic Level FETs. Das bedeutet, dieseMOSFETs knnen mit einer Steuerspannung von 5V am Gate durchgeschaltet werden.Beim von Honeywell erhltlichen MOSFET kann die maximale Leistung des Maxon EC22 HD Motors nicht erreicht werden, da die Dauerstrombelastbarkeit mit 1A zu geringist. Aufgrund der Tatsache, dass die Umgebungsbedingungen sehr harsch sind, sollteauerdem eine Reserve bei der Belastbarkeit der MOSFETs gegeben sein. Der MOSFETkann somit fr den Servoregler nicht verwendet werden.Um einen Kurzschluss in einer Halbbrcke zu vermeiden, sollte in den Halbbrcken-treibern eine Kurzschlusssicherung integriert sein. Ein Kurzschluss in einer Halbbrckebedeutet, dass beide MOSFETs einer Halbbrcke gleichzeitig durchgeschaltet sind undsomit die Spannungsquelle kurzschlieen.Viele Treiberbausteine, welche fr die Ansteuerung der MOSFETs notwendig sind, bie-ten solche Ausstattungsfeatures. Bei den MOSFETs von X-REL ist der Treiber im MOS-

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FET integriert, was Bauteile auf der Platine einspart. Diese MOSFET-Treiberkombinationbietet laut Datenblatt jedoch das Feature mit der Kurzschlusssicherung nicht und ist zu-dem noch nicht erhltlich. Aus diesen Grnden werden die MOSFETs CHT-NMOS8010von Cissoid fr den Servoregler ausgewhlt.Bei der Auswahl wurden zudem die Berechnungen des maximalen Dauerstroms bei200C sowie die gesamten Verlustleistungen in Abhngigkeit des Motorstroms bei 200CUmgebungstemperatur beachtet.

Berechnung max. Dauerstrom bei TA=200C und TJ=225C:

Hierzu ist der Widerstand RDSon bei TJ=225C und der thermische bergangswider-stand von Junction to Ambient JA notwendig. Der bergangswiderstand Junction toCase ist mit JC=5 KW angegeben. Der bergangswiderstand von Case to Ambient wirdin dieser Rechnung vernachlssigt und sollte auch spter in der Anwendung in derSonde, im Verhltnis zum JC Widerstand, vernachlssigbar klein sein. Die MOSFETswerden auf einen groen Khlkrper montiert, wobei sich dieser zustzlich in einemlbad im inneren der Sonde befindet. Die komplette Elektronik der Bohrlochsonde sollspter in l getaucht betrieben werden.

Der RDSon bei TJ=225C betrgt 0,44 und JA wird mit 5 KW angenommen.

Aus den Formeln T = P Rth , dem ohmschen Gesetz sowie P = U I lsst sich diezusammengesetzte Gleichung 3.1 erstellen:

Imax =

TJunction to Ambient

RDSon JA(3.1)

Imax ...maximaler Dauerstrom [I]TJunction to Ambient ...Temperaturunterschied Umgebung zu Halbleiter [C]

RDSon ...Widerstand Drain to Source []JA ...thermischer bergangswiderstand [ KW ]

Es ergibt sich ein maximaler Dauerstrom von:

Imax =225C 200C

0.44 5kW

= 3.37A

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Der Maxon EC 22 HD Motor ist bei 200C noch mit einem maximalen Dauerstrom von1,88A belastbar, womit gengend Reserven beim MOSFET bestehen.Die MOSFETs werden allerdings nicht mit einem Dauerstrom betrieben, sondern miteinem PWM-Signal angesteuert. Die Verlustleistung lsst sich somit in zwei Teilschrit-ten errechnen. Diese sind die statische Verlustleistung, wenn der Schalter geschlossenist, und die dynamischen Schaltverluste, welche beim Schalten auftreten. Bei der sta-tischen Verlustleistung wird das Tastverhltnis mit einberechnet, um die ber die Zeitgemittelten Verluste zu erhalten.

Berechnung Verlustleistung MOSFET bei TA=200C:

Formel fr statische Verlustleistung:

Pon = I2D RDSon tonT

[23] (3.2)

Pon ...statische Verlustleistung [W]ID ...Durchlassstrom von Drain to Source [A]

tonT ...Tastverhltnis des PWM-Signals [1]

Nherungsformel fr Dynamische Verlustleistung:

PSW = 0, 5 VDS ID fS (tr + t f ) [23] (3.3)

PSW ...dynamische Verlustleistung [W]VDS ...Spannung von Drain to Source [V]

fS ...Schaltfrequenz PWM-Signal [Hz]tr + t f ...Signal Anstiegs- und Fallzeiten [s]

Fr die Berechnung werden folgende Werte verwendet:

Motorspannung 48V

Nennstrom bei 200C ist 1,88A

Tastverhltnis der PWM betrgt 0,9

Signal Anstiegs- und Fallzeit betrgt zusammen 151ns

RDSon bei TJ=225C betrgt 0,44

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Das Tastverhltnis betrgt im Betrieb maximal 0,9 und wird deshalb fr die Worst CaseBerechnung verwendet. Im Unterabschnitt 5.1.2 wird auf den Maximalwert des Tast-verhltnisses genauer eingegangen.

Statische Verlustleistung: Pon = (1, 88A)2 0, 44 0, 9 = 1, 4W

Dynamische Verlustleistung: PSW = 0, 5 48V 1, 88A 50.000Hz 151ns = 0, 34W

Es ergibt sich somit eine Gesamtverlustleistung von:

PV = PC + PSwitching = 1, 4W + 0, 34W = 1, 74W

Mit dem oben angenommenen thermischen bergangswiderstand JA von 5 KW lsstsich die Erwrmung der Halbleiterschicht bei einer Umgebungstemperatur von 200Cerrechnen:

TJ = TA + JA P = 200C + 5KW

1, 74W = 208, 7C

Es sind somit gengend Reserven vorhanden, weshalb der MOSFET fr den Maxon EC22 HD Motor in der 6-Puls-Brckenschaltung verwendet werden kann.Bei der Verlustleistung kommt als gnstiger Faktor noch hinzu, dass der Motor mitBlockkommutierung betrieben wird. In dieser Betriebsart haben die MOSFETs kurzeSchaltpausen, da jeweils nur zwei Halbbrcken gleichzeitig aktiv sind. Somit ist dieber die Zeit gemittelte Verlustleistung noch etwas geringer.

3.2.3. Halbbrcken-Leistungstreiber

Definition: In einer Halbbrcke bedeutet Low-Side-MOSFET, dass der FET eine Lastgegen die Masse (GND) durchschaltet. Der High-Side-MOSFET hingegen schaltet dieLast an die Versorgungsspannung durch. [22]

Fr den Betrieb von MOSFETs reicht eine Spannung von 3,3V und der Strom vonmax. 20mA, die der Mikrocontroller liefern kann, nicht aus. In diesem Kapitel wirdauf die Notwendigkeit und die Verfgbarkeit von passenden Leistungstreibern fr denHochtemperatur Brushless DC Servoregler eingegangen.

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Leistungstreiber stellen die Schnittstelle zwischen steuernder Elektronik und der Leis-tungselektronik dar.Zusammenfassend ergeben sich fr die Halbbrcken-Leistungstreiber folgende Aufga-ben:

Spannungsanpassung von steuernder Elektronik an Leistungselektronik

Bereitstellen des hohen Ladestroms fr Gatekapazitt des MOSFETs

Anpassen des Potentials fr den High-Side N-FET der Halbbrcke

Kurzschlussschutz der Halbbrcke in Hardware

Totzeit zwischen den Schaltvorgngen bereitstellen

Bei den verwendeten Hochtemperatur MOSFETs von Cissoid handelt es sich um Lo-giclevel FETs. Das bedeutet, ein Potential von 5V zwischen Gate und Source reicht frdas Schalten aus.Der TI Hochtemperatur Mikrocontroller liefert an den I/O Pins 3,3V als Ausgangs-spannung. Der Widerstand RDSon ist somit noch grer als im voll durchgeschaltetenZustand, was hohe Verlustleistungen zur Folge hat. Auerdem ist ein Betrieb von MOS-FETs direkt an einem Controller-Pin nur dann mglich, wenn es sich um keinen dy-namischen Betrieb handelt. Die Verlustleistung beim Schalten ist direkt proportionalzur Schaltgeschwindigkeit. Damit ein MOSFET schnell schalten kann, sind kurzfristiggroe Strme notwendig, um die Gatekapazitt aufzuladen. Treiberschaltungen kn-nen kurzfristig Strome von bis zu 1,5A zum Laden der Gatekapazitten bereitstellen.Ein geeigneter Hochtemperatur Leistungstreiber ist fr die gewhlten HochtemperaturMOSFETs von Cissoid vom selben Hersteller erhltlich und bietet die in Tabelle 3.3 ge-nannten Ausstattungsfeatures.

Eine wichtige Funktion des Leistungstreibers ist das Anpassen des Spannungspegelsfr das Gate des High-Side N-Kanal MOSFETs. Hierfr ist eine Boostrapschaltung not-wendig. Auf die Bootstrapschaltung wird in Unterabschnitt 5.1.2 nher eingegangen.Der Hochtemperatur Leistungstreiber von Cissoid hat bereits die fr eine Bootstrap-schaltung notwenige Diode integriert. Somit mssen am Leistungstreiber lediglich Kon-densatoren und Widerstnde dimensioniert werden.

Der Halbbrcken-Treiber ist fr eine Brckenspannung von 50V ausgelegt und somitfr den Maxon Motor geeignet. Fr die PWM-Frequenz ist der Leistungstreiber eben-

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Cissiod CHT-HyperionVersorgungsspannung 5VSteuerspannung Gate 5VMaximale Brckenspannung 50VLadestrom Gate 1ATemperaturbereich -55C bis + 225CTreiberart N-Channel High-Side- und Low-Side-Treiber

Besonderheiten- Integrierte Bootstrapschaltung mit Diode- Kurzschlussschutz der Halbbrcke- Unterspannungsschutz

Tabelle 3.3.: Daten Cissiod CHT-Hyperion Halfe Bridge Driver

falls geeignet. Laut Datenblatt kann der Treiber eine 3nF Gatekapazitt mit 500kHzFrequenz ausreichend schnell schalten. Der von Cissoid verwendete MOSFET weist ei-ne Gatekapazitt von lediglich 850pF auf und die Schaltfrequenz betrgt nur 50kHz.Somit sind die Leistungstreiber fr diese MOSFETs mit den erforderlichen Betriebspa-rametern optimal geeignet und knnen verwendet werden.Von anderen Hochtemperatur-Elektronikherstellern sind derzeit keine Leistungstreiberfr N-Kanal MOSFETs, mit den bentigten Features, erhltlich.

3.2.4. Strommessung

Die Strommessung im Brushless DC Servoregler ist fr die berwachung des Motor-betriebes, oder um eine Drehmoment Regelung ber den Strom zu realisieren, notwen-dig. Der Stromverbrauch des Motors stellt sich ber die angelegte Spannung und dieaktuelle Drehzahl des Polrades sowie den Lastzustand ein. Die Spannung kann berdas Tastverhltnis des PWM-Signals angepasst werden. Die Strommessung ist vorersthauptschlich fr eine berlastschutzfunktion notwendig.Fr die Strommessung kommen grundstzlich zwei verschiedene Mglichkeiten inFrage: die berhrungslose Strommessung und die Messung mittels Shuntwiderstandim Stromkreis.Die berhrungslose Messung kann mit Hall-Sensoren oder Magnetoresistiven-Sensorenrealisiert werden. Hall-Sensoren fr den Einsatztemperaturbereich werden im MaxonEC 22 HD Motor fr Bestimmung der Rotorlage verwendet. Maxon gibt jedoch keineAuskunft ber die Art oder den Hersteller der verwendeten Hall-Sensoren.Auch fr die berhrungslose Messung mittels Magnetoresistiven-Sensoren wurden fr

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den geforderten Einsatztemperaturbereich keine Bauteile gefunden.Fr die Messung mittels Shuntwiderstand steht von TI ein Hochtemperatur Current-Shunt-Monitor zur Verfgung. Dieser verstrkt das Signal und bietet einige wichtigeFunktionen, auf welche im Abschnitt 5.2 nher eingegangen wird.Von TI ist ebenfalls ein Niedertemperaturderivates Halbleiterbauteil des Current-Shunt-Monitors erhltlich, welches zur Entwicklung und Dimensionierung der Schaltung ver-wendet wird.

SamplesVon der Firma Texas Instruments wurden, nachdem der Current-Shunt Monitor INA271-HT bei der Recherche gefunden wurde, zeitnah Samples angefordert. Innerhalb einesMonats wurden zwei solcher Hochtemperatur ICs als Sample geliefert.In Abbildung 3.3 sind die gelieferten Hochtemperatur-Samples von TI zu sehen.

Abbildung 3.3.: Current-Shunt-Monitor - TI INA271-HT

An dieser Stelle noch einmal ein Dankeschn an die Firma Texas Instruments.

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3.2.5. Passive Bauteile

Passive Hochtemperaturbauteile werden erst nachdem eine prototypische Platine ausFR4 mit den Hochtemperatur ICs bestckt wurde bestellt. Zuvor kann mit Standart-elektronikderivaten passiven Bauteilen die Dimensionierung verifiziert werden. DieProblematik liegt hierbei in der Mindestabnahmemenge der passiven Komponenten.

Kondensatoren

Hochtemperatur MLCC SMD-Kondensatoren sind von der Firma Novacap und Kemetin verschiedenen Ausfhrungen erhltlich. Diese Kondensatoren wurden bereits in derProjektarbeit vom 4. Semester auf dem Hochtemperatur Embedded System verbaut.Mit diesen Kondensatoren knnen Schwankungen der Spannungsversorgung vor ICsgefiltert werden oder RC-Filter aufgebaut werden. [24]Beim Betrieb eines Gleichstrommotors sind zustzlich grere Kapazitten fr das Puf-fern der Versorgungsspannung notwendig. Aufgrund der langen Anschlussleitungender Versorgungsspannung der Sonde (bis zu 5km Lnge) ist dieser Puffer umso wich-tiger. Ein Elektromotor wrde einen Einbruch der Versorgungsspannung problemlosverkraften, die weiteren Elektronikkomponenten in der Sonde reagieren jedoch sehrsensibel auf Schwankungen in der Versorgungsspannung. Aus diesem Grund mssenzu den SMD-Keramikvielschicht-Kondensatoren weitere Kondensatoren mit einer gr-eren Kapazitt die Versorgungsspannung stabilisieren.Von Kemet sind bedrahtete Keramik Kondensatoren mit Kapazitten im einstelligenF Bereich fr Umgebungstemperaturen von bis zu 260C erhltlich. [16] Von GreenTech sind Kondensatoren mit einer Kapazitt von 220F bei 200C und 60V Spannungerhltlich. [7]Die Firma Evans Capacitor bietet ebenfalls eine Hochtemperatur Bauserie bis + 200Can. Es sind Kondensatoren mit einer Kapazitt von 220F und 60V bei 200C, sowie470F und 45V bei 200C Umgebungstemperatur, erhltlich. Die Spannungsfestigkeitder Kondensatoren sinkt bei dieser Bauserie mit der Umgebungstemperatur. [5]Ein anderer Ansatzpunkt um die Spannungsversorgung zu puffern wren evtl. Akkus,welche zur Versorgungsspannung parallel geschaltet werden. Dies htte den weiterenVorteil, dass die Versorgungsspannung kurzfristig komplett ausfallen knnte. Akkusfr diese Umgebungstemperaturen wurden bislang jedoch noch nicht ergrndet.

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Widerstnde

Fr den Hochtemperatur Servoregler sind Widerstnde an verschiedenen Stellen er-forderlich. Beispielsweise werden Pullupwiderstnde, Shuntwiderstnde, Widerstn-de fr Spannungsteiler, Widerstnde als Vorwiderstand zwischen Gate und Treiber ICsowie Widerstnde fr Filterschaltungen bentigt.Die Firma SRT Resistor Technologie bietet eine groe Produktpalette an SMD- sowiebedrahteten Widerstnden. Hierbei sind ebenfalls Widerstnde mit groer Belastbar-keit bei 200C Umgebungstemperatur vorhanden. Diese knnen als Shuntwiderstndefr die Strommessung des Regelkreises verwendet werden.

Dioden

Fr den Leistungsteil sind neben den Schaltern (MOSFETs) auch Freilaufdioden erfor-derlich. Diese verhindern die beim Schlieen der Schalter entstehenden Induktions-spannungen. Hierzu werden die Dioden in Sperrichtung parallel zu den MOSFETs an-gebracht.Die verwendeten Freilaufdioden mssen von der Sperrspannung an die Motorversor-gungsspannung angepasst sein. Ebenfalls muss die Strombelastbarkeit in Durchlass-richtung an den Motor angepasst sein. Dies bedeutet beim verwendeten Maxon EC 22HD Motor eine Strombelastbarkeit von ca. 2A bei 200C Umgebungstemperatur.Dieser entscheidende Parameter der Strombelastbarkeit in Durchlassrichtung (ForwardCurrent) ist Ausschlusskriterium fr viele Hochtemperatur Dioden mit bis zu 200CEinsatztemperatur. Die Suche der Dioden wurde hierbei auf Gehuse, welche fr denEinsatz in der Sonde (Platz stark begrenzt) geeignet sind begrenzt. Zum Durchlass-strom Beispielhaft die Abbildung 3.4 aus dem Datenblatt der Semikron SBH 1245TLDiode.

Bei dieser Diode handelt es sich um eine Hochtemperatur-Schottky-Diode welche biszu einer Junction Temperatur von +200C eingesetzt werden kann. Der Durchlassstrombetrgt bei einer Umgebungstemperatur von 75C 12A. Es ist jedoch im Diagramm er-sichtlich, dass bei 200C Umgebungstemperatur der Durchlassstrom gegen Null geht.Eine weitere zustzliche Einschrnkung bei dieser Schottky-Diode ist die zu geringeSperrspannung von 45V. Der Motor knnte somit nicht mit der Nennspannung von48V betrieben werden.Viele weitere als Hochtemperatur erhltliche Dioden sind nur bis zu einer Junction

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Abbildung 3.4.: Durchlassstrom ber der Temperatur - Semikron SBH 1245TL [30]

Temperatur von +175C einzusetzen und somit ebenfalls ungeeignet. Bereits bekannteHersteller von Hochtemperaturbauteilen bieten keine fr diesen Anwendungsfall ge-eignete Dioden an.Lediglich der Hersteller Clifton aus Estland bietet passende Hochtemperatur-Dioden,welche fr diese Randbedingungen ausgelegt sind, an. Der Hersteller produziert haupt-schlich Halbleiter fr Leistungselektronik aus Galliumarsenid. Bei den Dioden han-delt es sich um GaAs p-i-n Gleichrichter-Dioden. Diese sind sehr schnell und ber einenTemperaturbereich von -65C bis + 260C einsetzbar. [6]Die zustzliche Randbedingung des begrenzten Platzvolumens fr die Elektronik kannmit Dioden dieses Herstellers ebenfalls eingehalten werden. Die Dioden sind in bedrah-teten Hermetic Packages oder in einer SMD-Variante erhltlich.

Wie in der Abbildung 3.5 zu erkennen ist, sind bei 200C Umgebungstemperatur nochgengend Reserven, was den Durchlassstrom betrifft, vorhanden. Die Reverse Reco-very Time dieser Dioden betrgt 30ns. Diese sind sehr schnell und somit gut fr denAnwendungszweck als Freilaufdiode einzusetzen.Zum derzeitigen Zeitpunkt wurden noch keine Preisausknfte sowie Lieferzeiten desHerstellers bekannt gegeben. Die Anfragen diesbezglich bleiben unbeantwortet.

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3.3. Hochtemperatur Platine

Abbildung 3.5.: Clifton GaAs Power Diode Hermetic Package [6]

Lediglich ber die Firma Micross Components Ltd. konnte per E-Mail Kontakt aufge-nommen werden. Die Firma Clifton selbst antwortet nicht auf E-Mails sowie Anfragenber das Kontaktformular der Homepage. Die Firma Micross Components Ltd. ist einePartnerfirma zu Clifton Semiconductor und verarbeitet bzw. integriert die Halbleiter-chips von Clifton in standardisierten Gehusen.

3.3. Hochtemperatur Platine

Die Firma Brockstedt, welche die Hochtemperaturplatine der Projektarbeit im 4. Se-mester gefertigt hat, bietet ebenfalls eine Hochtemperaturplatine mit 70m Kupferstr-ke an. Diese Kupferstrke ist fr die Leistungselektronik deutlich besser geeignet. DieStrme des Maxon EC 22 HD Motors betragen bei 200C ca. 2A im Nennbetrieb und8A im Anlauf. Die Leiterbahnen knnen durch die dickere Kupferschicht dnner di-mensioniert werden, weshalb die komplette Platine des Leistungsteils kleiner ausfallenkann.Ein Layout fr die Hochtemperaturelektronik wurde noch nicht erstellt. Ohne Layoutkann keine genaue Preisangabe von den Herstellern gegeben werden. Der Preis kannaber ungefhr mit dem der Hochtemperaturplatine aus der Projektarbeit des 4. Semes-ters verglichen werden. [2] Dieser liegt bei einer Stckzahl von 1-4 Stck bei einemEinzelpreis von ca. 170 mit zustzlichen Nebenkosten von ca. 540. Die Platine desHochtemperatur Embedded Systems besteht aus einem Polyimid-Glas-Trgermaterial

Chris Bauer 30

3.4. Ltzinn

(bis 220C geeignet) mit innenliegendem Kupfer-Invar-Kupfer Layer fr die Anpas-sung der Ausdehnungskoeffizienten an die Halbleiterbauteile.

3.4. Ltzinn

Als Ltzinn kann bleifreies Lot (Sn96,5 Ag3 Cu0,5) mit einer Schmelztemperatur von217C oder ein Hochtemperaturlot (Pb 93 Sn 5 Ag 2) mit einer Schmelztemperaturvon 296C eingesetzt werden. Da im Leistungsteil hauptschlich ICs mit Through Ho-le Technology eingesetzt werden, kann hier auch das schwieriger zu verarbeitendeHochtemperaturlot verwendet werden. Es msste jedoch in Praxistests die Eignungder Temperaturbelastung (Umgebung + warme ICs) mit zustzlicher Vibration geprftwerden. Die Firma Brockstedt empfiehlt fr den Einsatz bis 200C Umgebungstempe-ratur das oben genannte bleifreie Lot. Es muss sich in ersten Praxistests zeigen, welchesder beiden genannten Lote besser geeignet ist.

3.5. Notwendigkeit Standard Elektronik

Mit der Hochtemperaturkomponenten-Suche stellt sich neben der Frage ob geeigne-te Komponenten erhltlich sind, ebenfalls die Frage, wie lange die Lieferzeiten dieserBauteile sind. Die Hochtemperatur MOSFETs und Treiber von Cissoid haben eine Lie-ferdauer von ca. 12 Wochen. Aus diesem Grund wurde schon zu Beginn klar, dass dieentsprechenden Bauteile fr die hohen Temperaturen whrend der Bachelorarbeit nichtmehr geliefert werden. Um dennoch den Mikrocontroller whrend der Bachelorarbeitprogrammieren zu knnen und erste Tests mit dem Hochtemperaturmotor zu ermg-lichen, wurde eine Elektronik auf Basis von Standard-Komponenten aufgebaut. DasLayout der Hochtemperaturelektronik wird in nachfolgenden Arbeiten erstellt.In den folgenden Kapiteln wird auf die verwendeten Standard-Bauteile eingegangen,sowie das Schaltungslayout und die Dimensionierung erlutert.

Chris Bauer 31

4. Standardelektronik

4.1. Anforderungsanalyse Pflichtenheft

Fr die Auswahl der Standardelektronikkomponenten lsst sich ebenfalls ein Pflich-tenheft erstellen. Es wird lediglich der Leistungsteil der Elektronik aus Standardelek-tronikkomponenten aufgebaut. Der Hochtemperatur-Mikrocontroller von TI wird wei-terhin fr die Ansteuerung des Leistungsteils verwendet.Die Anforderungen nach Regelaspekten bleiben also gleich der Hochtemperaturelek-tronik.

Anforderungen an Elektronik nach Regelungsaspekten:

Fr Drehzahlregelung min 3 PWM Ausgnge

AD-Wandler Eingang fr Strommessung

Interruptfhige Eingnge fr Hall-Sensoren

3 Ausgnge um Halbbrcken anzusteuern

Temperaturmessung und Anpassung der Regelung nach Temperatureinflssen

Kurzschlussschutz in Hardware durch Halbbrckentreiber

Zustzlich sollte die Ansteuerung der Halbbrckentreiber hnlich oder gleich der Hoch-temperatur-Halbbrcken sein, um die nderungen der Software mglichst gering zuhalten.Des weiteren sollten die einzelnen Hardwaremodule, beispielsweise die Strommessunghnlich oder bestenfalls aus derivaten Komponenten aufgebaut werden.Die Anforderungen nach den Motordaten ndern sich geringfgig, da an den StandardElektronikkomponenten am Anfang der Maxon EC 22 Motor mit anderen Motorkenn-daten eingesetzt werden soll.

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4.2. Auswahl geeigneter Bauteile

Anforderungen nach Motordaten:

Maximal zu kommutierende Drehzahl betrgt ca. 14000 Umin

Maximaler Dauerstrom Maxon EC 22 3,33A

Maximaler Anlaufstrom Maxon EC 22 an 20V 25,1A

PWM Frequenz fr Blockkommutierung betrgt 50kHz

Nennspannung des Motors 48V, jedoch reduziert auf 20V wegen Drehzahl

Die Standardelektronik, insbesondere die MOSFETs, soll von der maximalen Strom-belastbarkeit berdimensioniert werden. Somit knnten die MOSFETs in spteren Ver-suchen bei einer erhhten Umgebungstemperatur (bis 200C) auf ihre Funktion ber-prft werden. Die Preise fr die Standard Komponenten unterscheiden sich lediglichim Cent-Bereich, weshalb eine solche Mglichkeit offen gehalten werden soll.


4.2.1. MOSFETs

Als MOSFETs werden in der Hochtemperaturelektronik N-Kanal MOSFETs mit LogicLevel Steuerspannung eingesetzt. In der Standard Elektronik sind keine Logic LevelMOSFETs fr eine Spannung von 48V erhltlich. Aus diesem Grund muss hier einMOSFET mit 10V Gate Steuerspannung (VGS) verwendet werden und die Leistungs-treiber hierfr passend ausgelegt sein.Ein fr den Maxon EC 22 Motor passender MOSFET ist von der Firma InternationalRectifier erhltlich. Es handelt sich um einen Standard N-Kanal MOSFET mit der Be-zeichnung AURIF1010EZ.

Nachfolgend werden die wichtigsten Features dieses Bauteils zusammengefasst [26]:

Spannungsfestigkeit von Drain to Source V(BR)DSS = 60V

Temperaturbereich TJ = -55C bis + 175C

Der Widerstand RDSon betrgt maximal 8,5m

Steuerspannung VGS = 10V

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Continous Drain Strom bei 25C betrgt 84A (Silicon Limited)

Continous Drain Strom bei 25C durch Package limitiert ist 75A

Integrierte Freilaufdiode mit Continous Source Current = 84A

Die Einschaltverzgerung (On-Time (tdOn + tr)) betrgt 109ns

Die Ausschaltverzgerung (Off-Time (tdO f f + t f )) betrgt 92ns

Erhltlich in drei versch. Gehusen, verwendet wird das TO-220AB Package

Die MOSFETs sind bei Reichelt zu einem Stckpreis von 1,066 erhltlich.Fr die aktuelle Anwendung sind die MOSFETs deutlich berdimensioniert. Dies istjedoch notwendig, da sich der maximal zulssige Drainstrom mit steigender Umge-bungstemperatur verringert. So ist laut Datenblatt bei TC=100C noch 60A ContinousDrain Current mglich. Somit sind die MOSFETs fr Tests bei erhhten Umgebung-stemperaturen nicht mehr so deutlich berdimensioniert.Die Verlustleistung ist bei diesem MOSFET im Vergleich zum Hochtemperatur MOS-FET von Cissoid deutlich geringer, da der Widerstand von Source zu Drain kleiner ist.

Die Verlustleistung bei diesen MOSFETs setzt sich aus statischer Verlustleistung sieheGleichung 3.2, der dynamischen Verlustleistung, siehe Gleichung 3.3 und der Verlust-leistung der Diode zusammen.Ohne die Verlustleistung der Diode kommt man mit:

3,3A Dauerstrom und 48V Spannung

PWM Frequenz von 50kHz mit einem Tastverhltnis von 0,9

auf eine Gesamtverlustleistung von 0,65W.Die Berechnung der Verlustleistung an der Diode hngt von vielen weiteren, nur schwerabschtzbaren, Faktoren ab. [28]Generell berechnet sich die Verlustleistung an einer Diode ber das Produkt von derSpannung, die ber der Diode abfllt, sowie dem Strom von dem sie durchflossen wird.Fr die gemittelte Gesamtverlustleistung ist jedoch die Zeit, in der die Diode leitet ent-scheidend. Diese Zeit ist nicht mit dem Tastverhltnis gleich zu setzten.Die Diode muss in der Halbbrcke die entstehenden Induktionsspannungen leiten, diebeim Schlieen der Schalter entstehen. Aufgrund der groen Leistungsreserven ist dieBerechnung der Verlustleistung an der Diode momentan zu vernachlssigen.

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4.2.2. Halbbrcken-Leistungstreiber

Die Firma International Rectifier bietet ebenfalls zahlreiche MOSFET-Treiber ICs an. DieTreiber mit der Bezeichnung IRS21844 sind ebenfalls bei Reichelt zu einem Stckpreisvon 3,07 erhltlich und mit den gewhlten MOSFETs kompatibel.Diese Halbbrckentreiber lassen sich hnlich wie die Hochtemperatur-Treiber ansteu-ern und bieten eine integrierte einstellbare Totzeit von 400ns bis 5000ns. Sie verfgenber einen Bootstrapkreis um die obere Gatespannung zu erzeugen. Zudem haben siegengend Ausgangsleistung um die MOSFETs schnell anzusteuern. [25]

4.2.3. Strommessung

Fr die Strommessung wird die wie in Unterabschnitt 3.2.4 beschriebene Methode, derMessung via Shuntwiderstand, gewhlt. Hierbei kommt ein derivates Bauteil, der ICINA271 von Texas Instruments zum Einsatz.Der Current-Shunt-Monitor hat einen Verstrkungsfaktor von 20 und bietet einige, frdie gepulste Strommessung, ntzliche Ausstattungsfeatures.

Im folgenden Kapitel 5 wird auf die Dimensionierung der Schaltung des Leistungsteilsgenauer eingegangen.

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5. Schaltungsentwicklung

In diesem Kapitel wird auf die Dimensionierung und das Schaltungslayout, des in ein-zelne Module gegliederten Leistungsteils, eingegangen. Es handelt sich hierbei um dieSchaltungsentwicklung mit den Standard-Elektronikkomponenten.

5.1. Halbbrcken

Fr den Aufbau einer 6-Puls-Brckenschaltung werden drei identisch aufgebaute Halb-brcken bentigt. Eine Halbbrcke besteht aus einem Low-Side MOSFET, welcher dieMotorspulen gegen Masse schalten kann und einem High-Side MOSFET, welcher dieMotorspulen gegen die Versorgungsspannung durchschaltet. Des weiteren werden Trei-ber IC und passive Bauteile bentigt.

5.1.1. MOSFETs

Als MOSFETs werden die in Unterabschnitt 4.2.1 gewhlten MOSFETs AURIF1010EZvon International Rectifier (IR) gewhlt. Beim Layout um die MOSFETs ist darauf zuachten, dass die stromfhrenden Leitungen zum und vom MOSFET zum Motor ausrei-chend dick dimensioniert sind. Ebenfalls sollte die Spannungsversorgung des Motorsmit Kondensatoren ausreichend gepuffert werden. Es wird hierfr ein Elektrolytkon-densator mit einer Kapazitt von 2200F und einer Spannungsfestigkeit von 63V vorge-sehen. Zustzlich wird ein kleinerer Keramikvielschichtkondensator mit 100nF Kapazi-tt zu diesem parallel geschaltet. Diese Kondensatoren, zum Puffern der Halbbrcken-spannung, sind im Schaltplan der Abbildung 5.1 nicht ersichtlich. Der als MOSFET1bezeichnete Schalter ist der High-Side MOSFET. Dieser ist mit Drain an der Versor-gungsspannung und mit Source an die Motorwicklung angeschlossen. Beim Low-SideMOSFET ist ersichtlich, dass Drain an die Motorwicklung und Source an Masse ange-bunden ist. Somit kann die Motorwicklung auf Plus und Masse geschaltet werden.

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5.1. Halbbrcken

5.1.2. Treiberschaltung

Fr die Treiberschaltung der High- und Low-Side N-Kanal-MOSFETs werden folgendeBauteile bentigt:

N-Kanal Treiber IC

Bootstrapdiode

Kondensatoren

Widerstnde

Als Halbbrcken-Treiber IC wird das Bauteil IRS21844 von International Rectifier ein-gesetzt. Auer diesem IC sind noch weitere fr den Betrieb notwendige Bauteile er-forderlich. Auf die Dimensionierung und die Funktionsweise der Schaltung, welche inAbbildung 5.1 ersichtlich ist, wird im folgenden eingegangen.

Die Bootstrap Schaltung

Die Bootstrap Schaltung wird bentigt, um das Potential zum Schalten des High-SideMOSFETs zu erzeugen. Die Schaltung besteht aus einer in Abbildung 5.1 als D3 be-zeichneten Bootstrapdiode und einem Bootstrapkondensator (hier als C9 bezeichnet),welcher mit dem Massenpotential auf der Motorwicklung liegt.Dadurch, dass der Kondensator auf dem Potential der Motorwicklung liegt, wird esmglich den High-Side MOSFET durchzuschalten. Im durchgeschalteten Zustand liegtSource des High-Side MOSFETs nahezu auf dem Spannungspotential der Versorgungs-spannung. Am Massenpotential des Kondensators liegt daher ebenfalls die Versor-gungsspannung an. Am Eingangspin VB (Spannung Bootstrap) des Treiber ICs liegtnun 48V plus die Spannung des Bootstrapkondensators an, womit das notwendigeSpannungspotential von 10V von Gate to Source gegeben ist.Hierdurch wird auch ersichtlich, weshalb die Bootstrapdiode bentigt wird. Ohne Di-ode wrde sich der Bootstrapkondensator in Richtung der Spannungsquelle des Trei-ber ICs entladen, wenn der High-Side MOSFET durchschaltet. Aufgeladen wird derBootstrapkondensator ber die Diode dann, wenn der Low-Side-MOSFET das Masse-potential des Kondensators auf Masse zieht.

Chris Bauer 37

5.1. Halbbrcken

Abbildung 5.1.: Schaltungslayout Halbbrckentreiber

Dimensionierung Bootstrapschaltung

Die Bootstrapdiode muss ausreichend schnell sein und zudem einen groen Strom lei-ten knnen. Des weiteren muss sie eine Sperrspannung, welche grer ist als die Mo-tornennspannung, aufweisen. Geeignet ist hierfr die Diode UF4002 von Vishay.Die fr den Bootstrapkreis maximale Belastung tritt bei einem Tastverhltnis von 0,9auf. Dies bedeutet 90% der Periodendauer des PWM-Signals ist der High-Side MOS-FET an, den Rest der Zeit der Low-Side FET. Mit einer PWM-Freuquenz von 50kHzkann der Boostrapkondensator dann in einem Zeitfenster von 10% 150kHz = 2s ge-laden werden. Die Diode UF4002 hat eine Reverse Recovery Time von 50ns. Dies ent-spricht einem prozentualen Anteil von 50ns2s =2,5% der gesamten Ladedauer. Die Diodeist somit schnell genug.

Die Dimensionierung des Bootstrapkondensators wird mit folgenden Formeln reali-siert:

Chris Bauer 38

5.1. Halbbrcken

VBOOT = VDD VF VGSMIN [29] (5.1)

VBOOT ... Spannungsnderung am Bootstrapkondensator [V]VDD ...Versorgungsspannung Treiber IC [V]

VF ...Spannungsabfall ber Bootstrapdiode [V]VGSMIN ...Minimalspannung von Gate zu Source [V]

QTOTAL = QGATE + (ILKCAP + ILKGS + IQBS + ILK + ILKDIODE) tON + QLS [29] (5.2)

QTOTAL ...Gesamtladung pro Schaltvorgang [C]QGATE ...Ladung Gate [C]

ILKCAP ...Leckstrom Bootstrapkondensator [A]ILKGS ...Leckstrom Gate zu Source [A]

IQBS ...Ruhestrom Bootstrapschaltung [A]ILK ...Leckstrom Boostrap IC [A]

ILKDIODE ...Leckstrom Bootstrapdiode [A]tON ...Zeit in der High-Side MOSFET ein ist [s]

QLS ...Ladungsmenge um Spannungslevel intern im Treiber zu ndern [C]

CBOOT =QTOTALVBOOT

[29] (5.3)

CBOOT ...Kapazitt des Bootstrapkondensators [F]

Die Werte zur Berechnung knnen aus den Datenblttern des MOSFETs, des TreiberICs und der Diode entnommen werden. [26] [25] [33]

Setzt man die Werte in Gleichung 5.2 ein, so erhlt man:

QTOTAL = 86nC + (0A + 200nA + 150A + 50A + 30nA) 0, 9 20s + 5nC = 94, 6nC

Der Leckstrom des Kondensators betrgt hier 0A, da ein Keramikvielschichtkondensa-tor eingesetzt wird.Die Spannungsversorgung des Treiber ICs wird auf ca. 12V festgelegt.

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5.1. Halbbrcken

Die Diode hat einen Spannungsabfall von VF=1V und die Minimalspannung am Gatedes MOSFETs betrgt 10V, somit ergibt Gleichung 5.1:

VBOOT = 12V 1V 10V = 1V

Nun lsst sich mit Gleichung 5.3 die Minimalkapazitt des Bootstrapkondensators er-rechnen:

CBOOT =94, 6nC

1V= 94, 6nF

Als Bootstrapkondensatoren wurden 100nF 0805 SMD Keramikvielschichtkondensato-ren ausgewhlt.

Widerstnde am Treiber IC

Der Halbbrcken Treiber IRS21844 von IR verfgt ber eine einstellbare Totzeit zwi-schen den Schaltvorgngen der High- und Low-Side MOSFETs.Hierzu wird ein Widerstand zwischen den Eingangspin DT (Deadtime) und Masse an-geschlossen. [25] Fr die verwendeten MOSFETs reicht die geringste Totzeit von 400nszwischen den Schaltvorgngen aus, sodass der Ausgangspin direkt auf Masse gezo-gen werden kann. Hierfr wurde ein 0805 SMD-Ltpad vorgesehen und ein 0 0805SMD-Widerstand eingeltet. Somit kann zu einem spteren Zeitpunkt, wenn ntig, dieTotzeit einfach verndert werden kann.

Ein Widerstand zwischen den Ausgngen HO (High out) und LO (Low out) limi-tiert die maximal mglichen Strme von Treiber IC an die Gates der MOSFETs. Hier-durch werden die Signalanstiegs- und Fallzeiten der MOSFETs begrenzt. Besondersbeim schnellen Abschalten knnen sehr hohe Induktionsspannungen von den Motor-spulen erzeugt werden. Zustzlich werden die EMV-Strungen durch ein langsameresEin- und Ausschalten minimiert. [22] Allerdings muss mit den langsameren Schaltzei-ten auch eine grere dynamische Verlustleistung an den MOSFETs in Kauf genommenwerden, weshalb die Gate Widerstnde nicht unntig gro gewhlt werden sollten. DieGate Widerstnde werden in diesem Anwendungsfall auf 1A Gatestrom dimensioniert:R = UI =

10V1A = 10.

Dieser Wert wurde grob festgelegt und kann bei Bedarf noch variiert werden.

Chris Bauer 40

5.2. Strommessung

5.2. Strommessung

Fr die Strommessung des Brushless DC Reglers wird ein Shuntwiderstand verwen-det. Fliet ein Strom durch den Shuntwiderstand, so fllt an diesem proportional zumStrom eine Spannung ab. Diese Spannung ber dem Shuntwiderstand wird mit demAD-Wandler des Mikrocontrollers ausgewertet. Mit dem ohmschen Gesetz: U = R Ikann dann, mit dem bekannten Widerstandswert, auf den Strom zurck gerechnet wer-den.Um eine bessere Auflsung zu erhalten, wird das Signal verstrkt. Hierfr wird derCurrent-Shunt-Monitor INA271 von TI verwendet. Dieser bietet auer der Verstrkungnoch weitere ntzliche Features, auf die im folgenden eingegangen wird.

5.2.1. Current-Shunt-Monitor

Der verwendete Current-Shunt-Monitor INA271 von TI ist auch in der Hochtempera-turvariante INA271-HT erhltlich. Aus diesem Grund, kann die Schaltung zur Strom-messung zu einem spteren Zeitpunkt von der Standard Elektronik ohne nderungenauf der Hochtemperaturelektronik umgesetzt werden.

Der verwendete Curren-Shunt-Monitor bietet folgende Ausstattungsfeatures:

Verstrkung des Messsignals um den Faktor 20

berspannungsschutzfunktion fr den Mikrocontroller

Integrierte vorbereitete Schaltung um das Signal zu filtern

Spannungsversorgung von +2,7V bis +18V

Spannung am Ausgangspin begrenzt durch die Versorgungsspannung

Ohne Current-Shunt-Monitor IC mssten die Referenzspannungseingnge des AD-Wandlers auf das Spannungspotential des Shuntwiderstandes angepasst werden. Dadie Spannungsversorgung der 6-Puls-Brckenschaltung aufgrund des PWM-Signalsstark schwanken kann, ist dies nicht ohne Risiken fr den Mikrocontroller zu realisie-ren. Mit Current-Shunt-Monitor ist das Anpassen am Mikrocontroller nicht notwendigund es kann direkt der Ausgang mit dem AD-Wandler Eingang verbunden werden.

Chris Bauer 41

5.2. Strommessung

5.2.2. Dimensionierung der Schaltung

Der Shuntwiderstand muss fr den Messbereich passend ausgelegt werden.Hierbei ist auf folgende Parameter und Eigenschaften zu achten:

Die Spannung, die ber dem Shuntwiderstand abfllt, sollte gering sein

Als maximaler Strom wird ca. 10A angenommen

Der Widerstandswert sollte nicht zu klein werden

Die Messauflsung sollte mglichst gro sein

Die Spannung, welche ber dem Shuntwiderstand abfllt, reduziert die Motorspan-nung und sollte deshalb mglichst gering ausfallen. Der maximale Strom wurde aufca. 10A ausgelegt, da dies dem Anlaufstrom des Maxon EC 22 HD Motors bei 100Centspricht. Der Anlaufstrom liegt zudem nur sehr kurzfristig am Motor an. Einen gr-eren Stromverbrauch als 10A wird der EC 22 HD Motor im normalen Betrieb nichtaufweisen. Der Nennstrom betrgt maximal 4,53A bei 25C Umgebungstemperatur.Shuntwiderstnde sind nur in einem begrenzten Widerstandswertebereich als Stan-dartbauteile erhltlich. Besonders in der Hochtemperaturelektronik ist das Problemder begrenzen Widerstandswerte relevant. Kleinere Werte knnen durch Parallelschal-ten von Widerstnden, bei gleichzeitig gesteigerter Belastbarkeit, erreicht werden. Dasrealisieren eines Shuntwiderstandes auf der Platine mit Kupfer wird aufgrund der zu-stzlichen Wrmebelastung fr das Halbleitermaterial nicht gewhlt.

Der kleinste erhltliche Shuntwiderstand in der Hochtemperaturelektronik hat einenWert von 50m und ist von SRT erhltlich (siehe Abschnitt A.2).Mit dem bekannten Strom von 10A und dem Widerstandswert von 50m lsst sichnun die Schaltung dimensionieren.Mit einem Widerstandswert von 50m wrde am Shuntwiderstand eine Spannungvon 0,5V abfallen und eine Verlustleistung von P = I2 R = 10A2 50m = 5W entste-hen. Die Verlustleistung von 5W wre selbst fr den Hochtemperatur-Shuntwiderstandbei erhhten Temperaturen kein Problem (Abschnitt A.2 und [3]).Die Spannung, welche am Widerstand abfllt ist jedoch zu gro, sodass der Wider-standswert durch Parallelschalten auf 25m verringert wird. Zustzlich wird die ma-ximale Strombelastbarkeit hierdurch vergrert.

Chris Bauer 42

5.2. Strommessung

Beim Dimensionieren der Schaltung um den Current-Shunt-Monitor mssen zustzlichder Verstrkungsfaktor des Current-Shunt-Monitors, sowie der Eingangsspannungsbe-reich des AD-Wandlers und die Auflsung beachtet werden.Der Messbereich des AD-Wandlers ist von 0V bis 3,3V eingestellt und kann nicht ver-ndert werden, da mit dieser Einstellung die Temperatur gemessen werden kann.

Um den Current-Shunt-Monitor auf der Platine an die Versorgungsspannung anzubin-den, knnten verschiedene Versorgungsspannungen verwendet werden.

Spannungen am Current-Shunt Monitor

Verfgbare Eingangsspannungen: 1,8V, 3,3V, 5V

Maximale Ausgangsspannung fr AD-Wandler: 3,3V

Bei der Auswahl ist zu beachten, dass die Ausgangsspannung am Ausgangspin durchdie Versorgungsspannung des ICs begrenzt wird. [14] Je nach Dimensionierung kanndies ein limitierender Faktor sein.Fr das bertragungsverhalten des Current-Shunt-Monitors lsst sich mit dem Wider-standswert und Verstrkungsfaktor eine Formel aufstellen:

Uout = ILast RShunt Gain (5.4)

Uout ...Ausgangsspannung am Current-Shunt-Monitor [V]ILast ...Strom welcher durch den Shuntwiderstand fliet [A]

RShunt ...Wert des Shuntwiderstands []Gain ...Verstrkungsfaktor des Current-Shunt-Monitors [1]

Es ergibt sich mit den bekannten Werten folgende Ausgangsspannung am Current-Shunt-Monitor:

Uout = 10A 25m 20V

V= 5V

Als Versorgungsspannung fr den Current-Shunt-Monitor wird die 5V Spannungs-quelle gewhlt. Zwischen den Ausgang des Current-Shunt-Monitors und den Eingangdes AD-Wandlers wird ein Spannungsteiler aufgebaut, um den Messbereich fr den

Chris Bauer 43

5.2. Strommessung

AD-Wandler anzupassen. Der Spannungsteiler (in Abbildung 5.2 an R1 und R2 zu se-hen) wird auf einen Strom von 10mA dimensioniert.Am unteren Widerstand R2 muss eine Spannung von 3,3V abfallen, somit ergibt sichein Widerstandswert von: R2 = UI =

3,3V10mA = 3300

Gewhlt wurde 3,3k nach der E12-Reihe.Der zweite Widerstandswert R1 ergibt sich wie folgt: R1 = 5V3,3V10mA = 1700Gewhlt wurde 1,8k nach der E12-Reihe.Mit den eingesetzten Widerstandswerten berechnet, ergeben sich die korrigierten Span-nungswerte von 3,24V an R2 und 1,76V an R1.Somit knnen diese Widerstandswerte fr den Spannungsteiler verwendet werden. DieAuflsung am AD-Wandler des Mikrocontrollers lsst sich folgendermaen berechnen:

Auflsung =Strom

Bits=

10A1024bit

= 9, 6mAbit

Mit ca. 10mA ist die Auflsung fr den Anwendungsfall genau genug.

Abbildung 5.2.: Schaltungslayout Current-Shunt-Monitor TI INA 271

Chris Bauer 44

5.2. Strommessung

Dimensionierung des Tiefpassfilters

Der Current-Shunt-Monitor wurde von TI fr die Messung des Stroms zustzlich miteinem integrierten Sallen-Key-Tiefpassfilter, fr das Ausgangssignal, ausgestattet (sie-he Abbildung 5.3 rote Markierung). Dieser besteht aus einem Operationsverstrker,einem Kondensator und einem Widerstand. Der Operationsverstrker sowie der Wi-derstand sind im Current-Shunt-Monitor integriert, sodass nur noch ein Kondensatordimensioniert und angeschlossen werden muss.

Abbildung 5.3.: Sallen-Key Tiefpass 1. Ordnung aus INA271 Datenblatt [14]

Fr die Dimensionierung des Sallen-Key-Tiefpassfilters wird wie im Elektrotechnik-skript erlutert vorgegangen.[4]

Chris Bauer 45

5.2. Strommessung

A(s) =1

1 + Wg R1 C1 s[4] (5.5)

A(s) ...bertragungsfunktion TiefpassfilterWg ...Grenzfrequenz des Filters []

R1 ...Widerstand des Filters 1. Ordnung []C1 ...Kondensator des Filters 1. Ordnung [F]

Mit:a1 = Wg R1 C1 [4] (5.6)

a1 ...Filterkoeffizient

folgt:

A(s) =1

1 + a1 s[4] (5.7)

Wird die Gleichung 5.6 nach C1 umgestellt, so kann der Kapazittswert mit den be-kannten Werten errechnet werden.Bei allen Filtern 1. Ordnung sind die Filterkoeffizienten gleich eins (a1=1). R1 ist von TIbekannt und hat einen Wert von 96k. Fr Wg wird 2 fg eingesetzt.Die Grenzfrequenz fg wird fr diese Anwendung mit 110 der PWM-Frequenz auf 5kHzfestgelegt. Mit dieser Grenzfrequenz kann der geglttete Stromwert des Servoreglersmit dem AD-Wandler ausgelesen werden, ohne dass die Reaktionsgeschwindigkeit beischnell steigenden Stromwerten zu sehr eingeschrnkt wird.Durch Einsetzen der Werte in die umgestellte Gleichung 5.6 erhlt man den Wert desKondensators:

C1 =1

2 5000Hz 96k = 332pF

Gewhlt wurde ein 0805 SMD Keramikvielschicht Kondensator mit einer Kapazitt von330pF. Im Betrieb kann zu einem spteren Zeitpunkt der Kapazittswert, wenn ntig,variiert werden.Ein weiteres Gltten der Stromwerte wird zustzlich durch das Speichern und Mittelnmehrerer AD-Wandlerwerte erreicht.

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5.3. Anpassungen an Hochtemperatur Embedded System


Fr den Betrieb des Motors mit den Hall-Sensoren mssen auch Anpassungen auf derPlatine des Hochtemperatur Embedded Systems erfolgen.

5.3.1. Strommessung mittels AD-Wandler

Die Eingnge des im Mikrocontroller integrierten AD-Wandlers, auf dem Hochtem-peratur Embedded System, sind alle fr die Temperaturmessung vorbereitet. Um denStromwert des Servoreglers mit dem AD-Wandler auslesen zu knnen, muss der PT-1000 sowie der hier als R11 bezeichnete Widerstand ausgeltet werden. Anschlieendkann am oberen Anschlusspin des ausgelteten PT-1000 (siehe roter Pfeil in Abbil-dung 5.4) der Current-Shunt-Monitor fr die Strommessung angeschlossen werden.

Abbildung 5.4.: Messbrcke mit PT-1000 fr Temperaturmessung

5.3.2. Beschaltung der Hall-Sensoren

Die Beschaltung der Hall-Sensoren mit Open-Collector-Ausgang bentigt einen exter-nen Pullupwiderstand damit das Signal der Sensoren auf Logisch 1 oder 0 gezogenwerden kann. [17]

Chris Bauer 47


Zustzlich stellte sich whrend des Betriebs mit dem Motor heraus, dass die Hall-Sensorsignale mit Strsignalen berlagert sind. Aus diesem Grund wurde der Pullup-widerstand und ein RC-Glied als Filter mglichst nahe am Mikrocontroller positioniert(siehe Abbildung 5.5). Somit knnen die Strungen bestmglich direkt vor dem Mikro-controller gefiltert werden.

Abbildung 5.5.: Hall-Sensorbeschaltung auf Hochtemperatur Embedded System

Fr die Dimensionierung des RC-Gliedes wurde als Grenzfrequenz 5kHz gewhlt. Diesentspricht einem 110 der PWM-Frequenz der Leistungselektronik. Die auftretende Kom-mutierungsfrequenz liegt mit ca. 1,3kHz ausreichend unter der Frequenz des RC-Gliedes,damit die Hall-Sensorwerte noch korrekt ausgelesen werden knnen.

Die Bauteile lassen sich mit folgender Formel dimensionieren:

fg =1

2 R C [4] (5.8)

Als Kapazittswert des Kondensators wurde 100nF gewhlt. Somit lsst sich nach demUmstellen der Gleichung 5.8 nach R der Wert des zu verwendenden Widerstands er-rechnen.

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5.4. Anschluss der Leistungselektronik am Mikrocontroller

R =1

2 5000Hz 100nF = 318, 3

Gewhlt wurde ein Wert von 330 aus der E-12 Reihe. Mit der Gleichung 5.8 lsst sichdie korrigierte Grenzfrequenz errechnen:

fg =1

2 R C =1

2 330 100nF = 4822, 9Hz

Dieser Wert weicht mit dem gewhlten Widerstandswert nur gering von der gewnsch-ten Frequenz ab, kann aber, wenn ntig, spter nochmals korrigiert werden. Die Grenz-frequenz sollte jedoch nicht zu stark nach unten verndert werden. Durch eine zu tie-fe Grenzfrequenz kann das Auslesen der Hall-Sensoren fr die Kommutierung beein-trchtigt werden, da die Signale evtl. Zeitverzgert am Mikrocontroller anliegen (aufdie Kommutierung wird in Unterabschnitt 7.1.1 nher eingegangen).


Die Leistungselektronik wird mit einem 10-poligen Stecker an das HochtemperaturEmbedded System angeschlossen. Ein direktes Verlten ist fr einen Einsatz in derBohrlochsonde unabdingbar, in der Testphase jedoch nicht notwendig und eher alspraktisch anzusehen.In Abbildung 5.6 ist die Belegung des Steckers aufgezeigt.

Abbildung 5.6.: Steckerbelegung Anschluss Mikrocontroller

An den Anschlssen GIO Port A.0 bis A.2 sind die drei Hall-Sensoren fr das Auslesender Motorposition angeschlossen. An GIO Port A.3 bis A.5 sind die Anschlusspins SD

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des Leistungstreibers angeschlossen. Mit diesen wird der Leistungstreiber mit Logisch1 aktiviert. Die Ausgnge des Halbbrckentreibers (HO und LO) werden dann mit demSignal IN (siehe Abbildung 5.1) entsprechend durchgeschaltet.An die Eingnge der Leistungstreiber (IN) werden die Ausgnge des HET (High EndTimer) des Mikrocontrollers angeschlossen um ein PWM-Signal auf den Leistungstrei-ber zu bertragen. Hierbei werden die MOSFETs komplementr durchgeschaltet, wasnotwendig ist, damit der Bootstrapkondensator aufgeladen wird.[25]

Die Motorwicklungen und die Versorgung der Hall-Sensoren sowie die Hall-Sensor-signale selbst werden wie in Abbildung 5.7 aufgefhrt an die Platine angeschlossen.Anstelle einer Steckverbindung kommt hier jedoch eine Schraubverbindung zum Ein-satz.

Abbildung 5.7.: Steckerbelegung Anschluss BLDC Motor

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6. EMV Probleme / EMV Schutz

6.1. EMV Probleme durch das Schaltungslayout

Bei den Motortestlufen kam es zu Fehlfunktionen des Motors, welche auf Strsignaleauf den Hall-Sensorwerten zurckzufhren sind.Wie in Kapitel Unterabschnitt 7.1.1 beschrieben wird eine Fehlerberprfung der Hall-Sensorsignale durchgefhrt. Diese Fehlerberprfung greift derzeit als einzige Sicher-heit in den Programmablauf ein, weshalb die Fehlerursache bei den Hall-Sensorsignalenzu suchen ist.Zur berprfung wurde das Signal der Hall-Sensoren mit einem Oszilloskop nachge-messen (siehe Abbildung 6.1). Wie zu erkennen ist sind deutlich Strsignale auf demSignal, wenn dieses auf Masse liegt, zu sehen. Die Strimpulse werden strker, wennder Motor mit mehr Drehmoment belastet wird und folglich mehr Strom in den Mo-tor fliet. Bei dem Strsignal handelt es sich, wie am Verlauf zu erkennen ist, um dasPWM-Signal, welches fr die Drehzahlregelung fr den Motor bentigt wird.Fr die Strungen lsst sich ein theoretisches Modell, ein sogenanntes Strkopplungs-modell (siehe Abbildung 6.2) erstellen. Hierbei wird von Strquelle, Kopplungspfadund Strsenke gesprochen. Die Strquelle ist hierbei der Ursprung der Strung. DieStrsenke ist das beeinflusste Gert oder der beeinflusste Schaltungsbereich. Der Wegzwischen Quelle und Senke nennt man den Kopplungspfad. [38]In dieser Strung ist die Senke das Hall-Sensorsignal und die Strquelle das PWM-Signal der Leistungselektronik. Bei dem Kopplungspfad liegt eine Impedanzkopplungnahe. Eine Impedanzkopplung kann bei gemeinsam benutzten Leitungsabschnitten,wie es z.B. bei der Masseleitung blich ist, auftreten. Flieen ber diesen Leitungs-abschnitt Ausgleichsstrme, so kann es dazu fhren dass Spannungen eingekoppeltwerden. Ursache fr diese A

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Hardwareaufbau und Softwareentwicklung eines ...geothermiewiki.iai.kit.edu/images/c/c2/Bachelorarbeit_chris_bauer.pdf · Mikrocontroller oder per Hardware mit Logikbausteinen realisiert