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Die anderen Motoren in Elektrofahrzeug-Systemen – Teil 4

| Autor / Redakteur: Chris Clearman* / Benjamin Kirchbeck

Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind.
Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind. (Bild: Texas Instruments)

Nicht nur der reine Elektromotor in einem E-Auto ist von Bedeutung: Es geht auch um die Elektrifizierung (d. h. den Ersatz von hydraulisch oder per Keilriemen angetriebener Systeme durch E-Motoren) in elektrischen oder nichtelektrischen Antriebssystemen. Teil 4

Die elektrische Servolenkung ist ein weiteres Beispiel für einen nicht der Traktion dienenden Antrieb in einem Elektrofahrzeug. Der Elektromotor ersetzt oder ergänzt hier die traditionelle Hydraulik, um den Fahrer beim Einschlagen der Räder zu unterstützen. Man findet elektrische Servolenkungen nicht nur in normalen Autos, sondern auch in Landmaschinen, Wasserfahrzeugen, Schneemobilen, Geländefahrzeugen und sogar einigen kleinen Motorrollern. Im Gegensatz zu anderen Hilfsantrieben arbeiten elektrische Servolenkungen mit wesentlich geringere Drehzahlen, und sie erfordern eine wesentlich präzisere Drehmomenterzeugung bei und in der Nähe einer Drehzahl von null.

Die Verwendung sensorloser Motorregelungen ist hierdurch eine große Herausforderung, und man greift nahezu immer auf einen physischen Sensor (Resolver oder Drehwinkelgeber) zurück. In diesem Fall wird die Software für die Motorregelung etwas einfacher, doch gilt es nach wie vor große Herausforderungen zu bewältigen, speziell in Anbetracht der sicherheitskritischen Eigenschaften dieser Anwendung.

Sicherheitskritische Motoranwendungen im Automotive-Bereich bedeuten eine besondere Herausforderung für die Teams, die die elektronischen Steuergeräte (Electronic Control Units – ECUs) für diese Anwendungen entwickeln. Hard- und Softwareingenieure, deren Haupt-Arbeitsgebiet normalerweise das Design von Elektronik für die leistungsfähigsten, effizientesten, robustesten und kosteneffektivsten Lösungen ist, müssen hier zusätzlich sicherstellen, dass ihre Designs den Funktionssicherheits-Standards der Applikationen entsprechen.

Die im Jahr 2011 eingeführte Norm ISO 26262 gibt Ingenieuren in der Supply Chain vom OEM bis zum IC-Zulieferer ein Gerüst in die Hand, mit dem sie die Anforderungen an die funktionale Sicherheit über den gesamten Entwicklungszyklus hinweg managen können. Die Einhaltung der Anforderungen an die funktionale Sicherheit erschließt einerseits neue geschäftliche Chancen.

Andererseits aber wirft die Komplexität, die das Entwickeln solcher Lösungen angesichts der Interaktionen zwischen Hardware-, Software- und Sicherheitsexperten mit sich bringt, häufig mehr Fragen auf als Antworten gegeben werden. Hinzu kommt die verwirrende Komplexität der Wechselwirkungen Hunderter Halbleiterbauteile auf jeder Leiterplatte im Verbund mit den individuellen Ausfallarten eines jeden Bauteils.

Funktionssichere Designs für elektrische Servolenkungen erfordern eine Analyse des Systems nach den Ausfallarten, der Häufigkeit ihres Vorkommens und der Schwere der Ausfälle. Nachträglich müssen dann Überwachungsfunktionen und Redundanzen hinzugefügt werden, die gewährleisten, dass der Ausfall eines Bauteils keine gefährlichen Konsequenzen hat. Die daraus resultierenden Systeme ermöglichen die ASIL-Konformität (Automotive Safety Integrity Level) auf der System-Ebene. Mit zunehmender Ausreifung der Norm ISO 26262 brachten die Mikrocontroller-Hersteller Produkte auf den Markt, deren integrierte Sicherheits-Features den Verzicht auf mehrere der bisherigen Regelungs-Redundanzen ermöglichen.

MCUs wie die der Reihe TI Hercules TMS570 sind mit ISO-26262-gerechten Diagnosetechniken konzipiert, zu denen zwei CPUs im Lockstep-Modus, eingebaute Selbsttests, fehlerkorrigierende Codespeicher, Loopback-Funktionen und viele weitere Features gehören. Diese Sicherheits-Features warten mit einem sehr hohen Grad an hardwaremäßiger Diagnose-Überdeckung auf, sodass sich der Umfang an Sicherheits-Software, die von den Entwicklern elektrischer Servolenkungen entwickelt werden muss, reduziert. Elektrische Servolenkungen in Automobilen verlangen nach ASIL-D, also der höchsten Sicherheitsstufe in der Funktionssicherheits-Norm ISO 26262.

MCUs wie der Hercules TMS570 sind bis ASIL-D zertifiziert und bringen die notwendige Sicherheits-Dokumentation mit, die den Entwicklern die Einhaltung der strengen Anforderungen erleichtert. Gleichzeitig bieten sie die Leistungsfähigkeit und Peripherieausstattung für die Ausführung der Vektorregelungs-Algorithmen. Für elektrische Servolenkungen in nicht für den Straßenverkehr vorgesehenen Fahrzeugen (z. B. Nutzfahrzeuge und Freizeitfahrzeuge) stehen mit den 32-Bit Echtzeit-Controllern der Piccolo™-Serie populäre, kostengünstige Mikrocontroller zur Verfügung, die eine große Auswahl an Speicher-, Gehäuse- und Kommunikationsport-Optionen bieten – kombiniert mit flexiblen, hochpräzisen Peripheriefunktionen speziell für Dreiphasen-Motoren. Beispiele für Vektorregelungs-Systeme auf der Basis von Winkelgebern und Resolvern gibt es in der controlSUITE™ Software.

Analoge Komponenten wie etwa Motortreiber, Verstärker und Stromversorgungen sind ebenfalls ein integraler Bestandteil der Sicherheitsanalyse eines Systems. Der Ausfall einer dieser Komponenten im System birgt das Potenzial für einen gefährlichen Ausfall ähnlich einem Ausfall im Mikrocontroller. Die Hersteller analoger Bauteile bieten mittlerweile Produkte an, die gemäß ISO 26262 definiert und entwickelt sind. Ein Beispiel hierfür sind die Motortreiber der DRV3000-Familie von TI. Diese analogen Bauteile wurden in der Annahme, dass ihr Einsatz in einem nach funktionaler Sicherheit verlangenden System erfolgt, gemäß ISO 26262 konzipiert, definiert und entwickelt. Aufgrund dieser Annahme kann der IC-Definierer die für diese Systeme erforderlichen Ausfallarten, Fehler und Redundanzen beim Definieren und Entwickeln des IC nachvollziehen.

Als Vertreter der neuesten Motortreiber-Generation für funktionssichere Anwendungen wurde der DRV3205-Q1 von TI für Motorsysteme mit 12 V und 24 V Betriebsspannung ausgelegt (wie sie üblicherweise in schwereren Fahrzeugen zum Einsatz kommen). Auch die Lastabwurf-Prüfungen erfolgten nach den strengsten 24-V-Kriterien. Dies wird in dieser Applikationsschrift demonstriert.

Wenn Sie also künftig den Begriff Elektrofahrzeug hören, denken Sie vermutlich weiter als nur bis zu den Traktionsmotoren. Bei der Traktion, den Hilfsantrieben, der elektrischen Servolenkung usw. gibt es in den unterschiedlichsten Fahrzeugen eine Vielzahl weiterer Motoren, und TI möchte Ihnen helfen, diese anzusteuern.

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* * Chris Clearman, C2000 Product Marketing, arbeitet seit über 15 Jahren für Texas Instruments.

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