Mikrorechnerkarte
IALB Mikrorechnerkarte mit EtherCAT-Feldbus Anbindung
Ein Schwerpunkt am IALB ist die Steuerung und Regelung von Frequenzumrichtern (FU) und elektrischen Maschinen. Eine wichtige Einheit in diesen Systemen ist eine digitale Rechnerkarte mit digitalem Signalprozessor (DSP) und entsprechender Peripherie.
Auf dem DSP können Algorithmen zur Verarbeitung von Strömen, Spannungen und Temperaturen implementiert werden. Bei den Algorithmen kann es sich um Regelungen für elektrische Antriebe oder um Signalverarbeitung zur Auswertung von Messdaten und ggf. Reduktion des Datenvolumens handeln. Für die Erfassung von Messdaten werden Drehgeber und Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) eingesetzt. Zur korrekten Signalabtastung mit einem A/D-Wandler wird für jeden Kanal jeweils ein Tiefpassfilter zur Vermeidung des Alias-Effektes benötigt.
Neben der Verarbeitung von Messwerten müssen auch Steuerbefehle empfangen und gesendet werden können. Je nach Geschwindigkeit und Distanz gibt es dafür verschiedene Bussysteme. Diese unterscheiden sich in der Anzahl der verwendeten Leitungen und in der Höhe der Spannungspegel. DSPs arbeiten im Allgemeinen nur mit digitalen Ein- und Ausgängen. Somit dürfen nur bestimmte Spannungspegel am Eingang anliegen bzw. es können nur bestimmte Pegel ausgeben werden. Werden für die Kommunikation mit anderen Prozessoren oder für die Ansteuerung der Leistungselektronik, d.h. der IGBTs über entsprechende Treiber, andere Spannungspegel benötigt, werden Pegelwandler eingesetzt. Die für die Übertragung von Daten verwendeten Bussysteme nutzen, je nach Einsatzgebiet, unterschiedliche Spannungspegel, weshalb meist entsprechende Bustreiber verwendet werden, die die Logikpegel in die für den Bus spezifizierten Spannungen umsetzen.
Die Umsetzung einer fehler- und störfreien Regelung von Systemen stellt hohe Anforderungen an den Aufbau einer Rechnerkarte, deren zuvor genannter Peripherie, Sensoren sowie deren Spannungsversorgung.
Am IALB wurde eine Rechnerkarte (Abb. 1) entwickelt, die die bisher genannten Eigenschaften vereint:
· Ansteuerung von 2- und 3-Level Umrichtern
· bis zu 18 A/D-Kanäle mit (16-Bit, simultane Abtastung)
· bis zu 16 A/D-Kanäle mit 12-Bit
· Sin/Cos-Drehgeber
· 4 D/A-Kanäle
· eine serielle Schnittstelle (RS232 oder USB)
· eine weitere serielle Schnittstelle (RS232, SPI oder CAN-Bus)
· Anbindung eines FPGA
· 256 kB statisches RAM
· Status LEDs
· Erweiterung über I2C-Bus
· EtherCAT-Feldbus
· JTAG-Interface für die Programmierung
· speziell abgestimmte Spannungsversorgung
Der EtherCAT-Feldbus basiert auf dem Ethernet-Standard und ermöglicht die echtzeitfähige Anbindung der Mikrorechnerkarte an einen IPC. Die Echtzeitfähigkeit wird mit speziellen EtherCAT-Netzwerkkarten, die bzgl. des Datentransfers eine zeitlich konstante Durchlaufverzögerung haben, erreicht. Durch den EtherCAT-Feldbus ist das gesamte System leicht erweiterbar, d.h. weitere Mikrorechnerkarten können über den EtherCAT-Feldbus mit einem Industrie-PC verbunden werden. Eine Synchronisierung der Mikrorechnerkarten ist über sogenannte „verteilte Uhren“ („distributed clocks“) in den verwendeten EtherCAT-Netzwerkkarten möglich. Das IALB ist Mitglied der „EtherCAT Technologie Group“ (ETG) und hat die Möglichkeit, den Spezifikationen entsprechende EtherCAT-Geräte zu entwickeln und testen zu lassen.
Da am IALB eine Vielzahl verschiedener Forschungsprojekte durchgeführt werden, haben nicht alle Prüfstände die gleichen Anforderungen an die Mikroelektronik. Die IALB-Mikrorechnerkarte fasst die von allen Prüfständen benötigten Eigenschaften zusammen. Prüfstandspezifische Anpassungen oder die Adaptierung an Leistungsteile von Frequenzumrichtern können über eine Adapterkarte realisiert werden.
Zum Zugriff auf Zustandsvariablen, d.h. zur Parametrierung von im DSP implementierten Reglern, wird am IALB ein PC-basiertes Programm erstellt. Prozeduren für den Zugriff auf Daten, wie Name, Typ, Min-/Max-Vorgabe einer Variablen, werden während der Programmerzeugung automatisch generiert. Die Steuerung per Tablet über eine Funkverbindung wie z.B. „Bluetooth“ ist Gegenstand aktueller Arbeiten.