Plattenspieler in Studioqualität mit integrierter Selbstverifikation

Das Projekt in Kürze: Ein US-amerikanischer Hersteller von High-End-Audiogeräten benötigte einen direktangetriebenen Plattenspieler, der seine Präzision nicht nur verspricht, sondern auch nachweisen kann. Promwad entwickelte das gesamte Gerät – von der Mechanik über die Elektronik bis hin zur Firmware – und integrierte eine Echtzeitmessung der eigenen Leistungsparameter direkt in den Plattenspieler, sodass in der Produktion keine externen analogen Analysegeräte erforderlich sind. Das Designpaket ist bereit für die Prototypenfertigung, und die Firmware-Entwicklung wird während der Validierung des Prototyps fortgesetzt.

Kunde & Herausforderung

Unser Kunde ist ein US-amerikanischer Hersteller von direktangetriebenen High-End-Plattenspielern, der seine Produktion in Nordamerika, Europa und Asien ausweitet. Im Studiosegment zahlen Käufer Premiumpreise für Präzision, und wie der Kunde selbst formulierte, geben die meisten Hersteller entsprechende Spezifikationen an, doch nur wenige können diese mit messbaren Daten belegen. Mit seinem neuen Produkt wollte der Kunde diese Lücke schließen: Käufer sollten die Messwerte sehen können, anstatt den Angaben einfach vertrauen zu müssen. 

Der interne Demonstrator des Kunden konnte die erforderliche Präzision nicht erreichen, und es war unklar, ob die Ursache in der Mechanik, der Elektronik oder im Regelkreis lag. Der Kunde beauftragte Promwad mit der Ursachenanalyse. 

Unsere Discovery-Phase führte zu einem detaillierten Bericht, in dem die einzelnen Ursachen voneinander abgegrenzt wurden. Das Ergebnis war eindeutig: Eine Optimierung der Firmware allein konnte die Auswirkungen der mechanischen Konstruktion auf das Signal nicht kompensieren. Auf dieser Grundlage beauftragte der Kunde Promwad mit dem vollständigen Entwicklungszyklus. 

Lösung

Promwad stellte ein interdisziplinäres Team zusammen: 

• einen Industriedesigner; 

• zwei Maschinenbauingenieure; 

• einen Schaltungsentwickler; 

• einen PCB-Designer; 

• einen Firmware-Entwickler. 

Die Arbeiten wurden als ein integriertes schlüsselfertiges Projekt durchgeführt, mit wöchentlichen Abstimmungen und gemeinsamen Reviews aller wichtigen Designentscheidungen. 

Bei der mechanischen Neugestaltung wurden die Ursachen für Fehler bei niedrigen Drehzahlen auf physikalischer Ebene behoben. Die Steuereinheit wurde auf Basis der Texas Instruments C2000-Plattform entwickelt, einer speziell für die Motorsteuerung konzipierten Mikrocontroller-Familie. Die Firmware übernimmt die Motorsteuerung und misst parallel dazu die Rotationsperformance des Geräts in Echtzeit. 

Architektur und zentrale Entscheidungen

Zero-Cogging-BLDC als Grundlage. Konventionelle bürstenlose Motoren erzeugen ein Rastmoment, das sich als periodische Drehzahlschwankung bemerkbar macht. Bei den für die Schallplattenwiedergabe typischen Drehzahlen von 0,56 bis 1,3 Hz liegt diese Schwankung im hörbaren Bereich, sodass sie durch keinen nachgeschalteten Filter entfernt werden kann. Ein Zero-Cogging-Motor reduziert das Problem direkt an der Quelle.

Feldorientierte Regelung auf TI C2000. FOC entkoppelt Drehmoment und magnetischen Fluss und ermöglicht einen gleichmäßigen Motorlauf mit minimaler Welligkeit. Das ist entscheidend, da der Abtastwiderstand der Nadel bei jeder Umdrehung kleine kontinuierliche Laständerungen verursacht. Der TI F28004x bietet die Hardware-Peripherie, die erforderlich ist, um FOC mit der benötigten Aktualisierungsrate auszuführen: Hochgeschwindigkeits-PWM, Encoder-Schnittstellen und Echtzeitberechnung.

Dual-Loop-PI-Regelung. Der innere Regelkreis hält den Motorstrom konstant, während der äußere Regelkreis die Drehzahl regelt. Verschachtelte Regelkreise sind Standard in der Entwicklung von Präzisionsservosystemen – ihre Abstimmung hingegen nicht. Bei extrem niedrigen Drehzahlen reduzieren aggressive Reglerverstärkungen Wow & Flutter, bergen jedoch das Risiko von Regelschwingungen, während konservative Verstärkungen für Stabilität sorgen, jedoch größere Abweichungen zulassen. Die endgültige Abstimmung erfolgt auf Grundlage der Systemidentifikation an den Prototypen.

Integrierte Messtechnik. Die Firmware verarbeitet die Encoderdaten in Echtzeit, um langsame Schwankungen (Wow, unter 4 Hz) und schnellere Schwankungen (Flutter, über 4 Hz) zu erfassen. Dabei kommt eine Frequenzbewertung zum Einsatz, die der gängigen Industriepraxis für W&F-Messungen entspricht. Dadurch erhält der Kunde zwei Vorteile zugleich: eine frühzeitige Verifikation in der Produktion und ein Gerät, das seine Leistungsfähigkeit auch beim Käufer kontinuierlich nachweisen kann.

Ergebnisse & geschäftlicher Mehrwert

Dem Kunden liegt nun ein vollständiges Designpaket vor, das für die Prototypenfertigung bereit ist: STEP-Dateien für die mechanische Fertigung und Gerber-Dateien für die PCBA. Sobald die Prototypen verfügbar sind, wird die Firmware-Entwicklung an diesen fortgesetzt, wobei die Systemidentifikation als Grundlage für die endgültige Abstimmung des Regelkreises dient. 

Die Architektur bietet dem Kunden zwei geschäftliche Vorteile. Durch die integrierte Wow-&-Flutter-Messung wird die Verifikation vom Ende der Montagelinie in die mechanische Fertigungsphase verlagert. Dadurch entfällt der herkömmliche Ablauf aus vollständiger Montage, manueller Abstimmung, externer Verifikation und Nacharbeit im Fehlerfall. Gleichzeitig wird ein Gerät, das seine eigene Performance kontinuierlich protokolliert, zu einem Differenzierungsmerkmal gegenüber Wettbewerbern, die lediglich ein statisches Datenblatt mit Spezifikationen bereitstellen. Dies unterstützt sowohl die Preispositionierung als auch die Expansion in den drei regionalen Märkten. 

Designziele: Wow & Flutter ≤0,02 % und Drehzahlgenauigkeit ±0,01 % bei allen Wiedergabegeschwindigkeiten. Diese Werte werden validiert, sobald die Tests mit den Prototypen beginnen. 

Weitere Leistungen im Bereich Embedded Firmware

• MCU-Firmware-Entwicklungsservices: Firmware für Motorsteuerung, Board Support Packages, Treiber und Echtzeitalgorithmen für TI-, STM32-, NXP- und Renesas-Plattformen.
• Wiederverwendbare Robotik-Softwareplattform: Wie wir Echtzeit-Bewegungssteuerung, ROS 2 und 5G auf einem einzigen Embedded-Controller zu einem portablen Robotik-Stack kombiniert haben.