Neue Implementierungsmethoden für eingebettete geberlose Motor-Controller basierend auf dem Einsatz von Multi-Core-Mikrocontrollern

Abstract

Diese Arbeit behandelt den Einsatz von Multi-Core-Mikrocontrollern in softwarebasierten Motor-Controllern zur geberlosen Stromregelung von PMSM. Hierbei werden die Steigerung der Motor-Controller-Performance durch Parallelisierung und die Auswirkungen von Cross-Core-Interferenzen auf das zeitliche Verhalten von Motor-Controllern fokussiert. Es wird eine Generalisierung von geberlosen Stromregelungen durchgeführt, um die allgemeine Parallelisierbarkeit dieser Anwendungen zu beschreiben. Hierauf aufbauend wird gezeigt, unter welchen Rahmenbedingungen eine effektive Steigerung der Regelfrequenz durch Parallelisierung realisierbar ist. Durch die Konsolidierung dedizierter Motor-Controller in ein Multi-Core-System kann Hardware eingespart und dadurch der Energiebedarf um bis zu 50 % gesenkt werden. Eine solche Konsolidierung verursacht regelmäßig Cross-Core-Interferenzen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird ein Verfahren vorgestellt, das die negativen Einflüsse dieser Seiteneffekte auf die Laufzeiten der Motor-Controller analysiert und quantifiziert. Hierauf aufbauend werden Strategien zur Reduktion der Interferenzen beschrieben und evaluiert. Durch die erzielten Ergebnisse werden Multi-Core-Mikrocontroller als Basis neuer Implementierungsmethoden für Motor-Controller erschlossen. Sie erweitern deren Design- und Implementierungsprozesse, um hier Multi-Core-Mikrocontroller durch Parallelisierung und Konsolidierung effektiv und effizient einzusetzen.

This thesis addresses the use of multi-core microcontrollers in software-based motor controllers for the position sensorless control of PMSM. The focus is on increasing the motor controller performance through parallelization and on the effects of cross-core interferences on the temporal behaviour of motor controllers. A generalization of position sensorless current controls is carried out in order to describe the general possibilities to parallelize these applications. Building on this, it is shown under which conditions an effective increase in the control frequency can be achieved through parallelization. By consolidating dedicated motor controllers into one multi-core system, hardware can be saved to reduce energy costs by up to 50 %. Such consolidation causes cross-core interference on a regular basis. To address this problem, a procedure is presented that analyses and quantifies the negative influences of these side effects on the runtimes of the motor controllers. Based on this, strategies for reducing interference are described and evaluated. The results of this work open up multi-core microcontrollers as a base for new implementation methods for motor controllers. They expand the design and implementation processes of motor controllers in order to use multi-core microcontrollers effectively and efficiently through parallelization and consolidation.