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ASIC für Stromregler von Servoantrieben

  • Abb.1: Layout-Ansicht des Stromreglers für einen Servoantrieb
  • Abb.2: Mikroskop-Aufnahmen des hergestellten Chips (Aufnahmen von M. Müller)

Positionsgesteuerte Servoantriebe sind in Automatisierungssystemen weit verbreitet. Dabei wird eine kaskadierte Reglerstruktur mit einer Stromreglung als innerstem Regelkreis verwendet. Da diese Regler üblicherweise aus Proportional-, Integral- und Differentialelementen (PID) bestehen, ist in den Regler-ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ein konfigurierbarer PID-Regler implementiert.

Die Konfiguration erfolgt über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI). Der Regler-ASIC fungiert dabei als SPI-Slave. Digitale Eingänge sind an drei Delta-Sigma-Modulatoren angeschlossen, die mit einer Eingangsfrequenz von 16 MHz abtasten. Ein Analogeingang empfängt ein Stromeingangssignal, während die beiden anderen mit den A/B-Signalen eines Dreh- oder Lineargebers verbunden sind. Drei sinc3-Dezimationsfilter sind mit variablen Filterlängen zwischen 16 und 256 implementiert, um das Rauschen der seriellen 1-Bit-Eingangsdatenströme zu reduzieren. Vier Ausgangssignale treiben eine Vollbrücke in der Leistungselektronik mit einer einstellbaren Auflösung von bis zu 16 Bit bei einer Frequenz von 100 MHz. Das Projekt enthält eine digitale Ausgangsschnittstelle für zwei 16-Bit-Digital-Analog-Umsetzer (DAC), damit wir Regelkreisvariablen mit einem Oszilloskop online visualisieren können. Der Stromregler soll im  Masterstudiengang Ingenieurwissenschaften in Laborpraktika für Mixed-Signal-Systeme eingesetzt werden.

Der Chip wurde in der 180nm Technologie der Fa. XFAB (XH018 0.18µ E-FLASH MET3/4/MID/THK) im Rahmen des  Europractice Multi-Projekt-Wafer Service bei IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) in Belgien gefertigt. Die TH Rosenheim hat Entwurfswerkzeuge der Fa. Cadence durch Europractice seit mehreren Jahren lizensiert und hat von der technischen Unterstützung beim Dummy-Fill, Chip-Submission und Chip-Packaging profitiert. Der integrierte Mikrochip selbst hat eine Größe von 3226µm x 2962µm und wurde in einem CLCC84 Gehäuse untergebracht.

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