Motion Control IC Sensorlose BLDC-Motoren mithilfe der Gegen-EMK ansteuern

Autor / Redakteur: Steven Keeping * / Gerd Kucera

Die sensorlose BLDC-Motoransteuerung hat zweifelsohne Vorteile für die Anwendung. Mitunter aber ist die Auslegung mit Hall-Sensoren besser geeignet. Worauf es ankommt, zeigt dieser Beitrag.

Bild 1: Sechsstufiger elektrischer Zyklus für einen BLDC-Motor (Spule A wird positiv erregt, B ist offen, C wird negativ erregt.
Bild 1: Sechsstufiger elektrischer Zyklus für einen BLDC-Motor (Spule A wird positiv erregt, B ist offen, C wird negativ erregt.
(Quelle: Microchip)

In der elektrischen Antriebstechnik wird der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC; Brushless DC Motor)immer beliebter. Bei diesem Motortyp sorgt eine Elektronik für die Kommutierung des Motorstroms. Durch Wegfall der verschleißanfälligen Bürsten wird die Zuverlässigkeit des Motors/Antriebs erhöht. Auch kann ein BLDC-Motor bei der gleichen Leistung kleiner und leichter ausfallen als ein Motor mit Bürsten. Ein gern genutzter Vorteil in Anwendungen mit eingeschränktem Platz.

Ergänzendes zum Thema
2. Praxisforum Elektrische Antriebstechnik (24.-26.3.2015 in Würzburg)

Das dreitägige „Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2015“ (www.praxisforum-antriebstechnik.de) besteht aus einem Kongresstag mit begleitender Ausstellung und zwei Foren-Tagen. 27 renommierte Referenten vermitteln komplexes interdisziplinäres Praxiswissen sowie Grundlagen und aktuelle Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung. Nachfolgend zwei beispielhafte Abstracts:

Für die Performance und die Betriebskosten von Maschinen wird bereits mit der Wahl der Antriebstechnik ein wesentlicher Grundstein gelegt. „Die Antriebsdynamik bestimmt maßgeblich den maximalen Produktionsausstoß“, konstatiert Jürgen Wagenbach, Leiter Kundensupport Elektronik & Systemtechnik bei maxon motor AG, „die Präzision der Antriebsregelung beeinflusst die Qualität der produzierten Güter, beispielsweise die Maßhaltigkeit, und der Wirkungsgrad der Antriebe ist ein Teil der Energieeffizienz der gesamten Lösung.“

Die effektiv nutzbare Dynamik von Antrieben und das Reaktionsverhalten auf schnelle Sollwert-Änderungen hängen auch von der Taktrate des Positions- und insbesondere des Stromreglers ab. Typische Stromregler arbeiten mit Abtastzeiten von 0,1 ms (entspricht 10 kHz Reglertakt) und Positionsregler mit 1 ms (entspricht 1 kHz Reglertakt). Bei hochdynamischen Antrieben mit Beschleunigungszeiten von wenigen Millisekunden reicht diese Reglerdynamik nicht mehr aus.

Eine massive Erhöhung des Strom- und Positionsreglertakts um einen Faktor 10 erlaubt hochdynamische Bewegungsvorgänge von Kleinantrieben bis 500 W. „Der bisherige Widerspruch von extrem kurzen Beschleunigungszeiten und trotzdem hoher Präzision bei exakter Einhaltung des Bewegungsprofils – ohne Überschwingen – kann hiermit gelöst werden.“

Um die Vorteile von solchen Antriebslösungen vollumfänglich zu nutzen, müssen die anderen Systemkomponenten darauf abgestimmt sein. „Dazu gehören dynamische Motoren, präzise Positionserfassung, effiziente Regler-Optimierung und standardisierte Integration in bestehende SPS-Konzepte“, ergänzt Urs
Kafader, Leiter Technische Ausbildung bei maxon motor AG
. Die beiden Referenten zeigen in ihrem Vortrag, dasss nur ein solcher systemischer Ansatz es erlaubt, die neue Technik mit kurzer Time-to-Market und geringem Entwicklungsrisiko in der Praxis umzusetzen.

Miniaturisierung, Kosten-Äquivalenz und Energieeffizienz sind weitere der facettenreichen Herausforderungen einer zeitgemäßen elektrischen Antriebstechnik. „Grundsätzlich geht es um die bestmögliche Adaptierung des Motion-Reglers an den Motor“, verdeutlicht Christian
Seliger, Leiter der Entwicklung bei TURCK duotec GmbH
, „moderne Elektromotoren brauchen eine intelligente Ansteuerelektronik; und intelligent bedeutet in diesem Zusammenhang auch bedarfsgerecht.“

Die aufeinander aufbauenden Vorträgen von Sven Bochmann (Turck duotec GmbH) und Marco Neubert (EDC GmbH Electronic Design Chemnitz) zeigen die Miniaturisierung von Frequenzumrichtern mit einem intelligenten und modularen Power-Modul. Die Ansteuerlogik ist als ASIC realisiert. Beide Referenten zeigen Anforderungen an die ASIC-Entwicklung und die Herausforderungen der AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) für Leiterplattenbestücker. Voidfreies Vakuumlöten und Dickdrahtbonden sind Themen, die dabei u.a. für die Wärmeableitung auf engstem Raum mit vergossenen Bauteilen notwendig sind.

Praxisgerecht zeigen die Autoren die Möglichkeit zur Miniaturisierung von Frequenzumrichtern mit einem kompakten, intelligenten, modularen sowie integrierten Powermoduls bis 10 kW und 500-V-Weitbereichseingang. Ein Kernpunkt ist die Treiberschaltung zum Ansteuern eines Highside-Leistungsschalters (MOSFET, IGBT). Hierzu wird die Effizienz von Technologien untersucht, die mit einem ASIC kapazitiv, induktiv, optoelektronisch oder durch verschiedene Schaltungen mit integrierten Hochvolt-Transistoren erfolgen kann. Für die Stückzahlanforderungen mittelständischer Unternehmen stellt die Verfügbarkeit eines kostengünstigen, spezifischen Powermoduls für verschiedene Frequenzumrichter-Anwendungen einen großen Nutzen dar. //KU

Folgende weitere Themen erwarten Sie: Chip-Lösungen für Motion Control, Grundlagen und Theoreme der elektrischen Antriebstechnik, Motorbauformen und Betriebsverhalten, Vor- und Nachteile von Antriebsreglern.

Da es keinen mechanischen oder elektrischen Kontakt zwischen Stator und Rotor des BLDC-Motors gibt, sind zur Bestimmung ihrer relativen Position alternative Anordnungen an die Motorsteuerung erforderlich. Für BLDC-Motoren gibt es dazu zwei mögliche Methoden: entweder den Einsatz von Hall-Sensoren oder die Messung der rückwirkenden EMK. Nachfolgend wird die letztgenannte Methode beschrieben.

Statt Hall-Sensoren die rückwirkende EMK nutzen

Nicht nur die Verbesserung der Zuverlässigkeit durch Wegfall verschleißbehafteter Bürsten sprechen für den BLDC-Motor. Er hat zudem ein großes Verhältnis von Drehmoment zu Motorgröße, eine schnelle Dynamik und bietet nahezu lautlosen Betrieb. BLDC-Motoren werden als synchrone Geräte klassifiziert, da die Magnetfelder des Stators und des Rotors mit der gleichen Frequenz rotieren. Der Stator enthält Stahllamellen, die axial geschlitzt sind, um eine gerade Anzahl von Windungen entlang der inneren Peripherie aufzunehmen. Der Rotor ist aus Permanentmagneten mit zwei bis acht NS-Paaren zusammengesetzt.

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Der elektronische Kommutator des BLDC-Motors erregt nacheinander die Stator-Spulen, die ein rotierendes elektrisches Feld erzeugen, dass den Rotor „zieht“. Ein effizienter Betrieb wird dadurch sichergestellt, dass die Spulen genau zum richtigen Zeitpunkt mit Energie versorgt werden. Sensoren funktionieren gut, erhöhen aber die Kosten und die Komplexität (aufgrund der zusätzlichen Verdrahtung) und reduzieren die Zuverlässigkeit (zum Teil durch die Sensor-Steckverbindungen, die anfällig gegen Kontaminierung durch Dreck und Feuchtigkeit sind). Eine sensorlose Regelung beseitigt diese Nachteile.

Wenn Magnetfeldlinien die Motorspulen schneiden, wird nach dem Generatorprinzip in diesen Spulen auch bei Motorbetrieb eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist wie die Betriebsspannung gepolt und wirkt daher dem Rotorstrom entgegen. Sie wird Gegenspannung oder Gegen-EMK genannt.

Gemäß dem Lenzschen Gesetz erzeugt diese in Volt gemessenen elektromotorische Kraft (EMK) ein sekundäres Magnetfeld, das der ursprünglichen Änderung des magnetischen Flusses, die die Motordrehung bewirkt, entgegengesetzt ist. Einfacher ausgedrückt, widersetzt sich die EMK der natürlichen Bewegung des Motors und wird als rückwirkende EMK bezeichnet. Für einen gegebenen Motor mit festem magnetischen Fluss und fester Anzahl von Wicklungen, ist die Größe der EMK proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

Hersteller von BLDC-Motoren geben einen Parameter an, die Gegen-EMK-Konstante (Back EMF Constant), die verwendet werden kann, um für eine gegebene Drehzahl die rückwirkende EMK zu ermitteln. Das Potenzial über einer Wicklung kann durch Subtrahieren der rückwirkenden EMK von der Versorgungsspannung berechnet werden. Wenn der Elektromotor mit Nenndrehzahl läuft, dann bewirkt die resultierende Spannung (Potenzialdifferenz aus rückwirkender EMK und Versorgungsspannung) einen Stromfluss, der als Nennstrom bezeichnet wird; der Motor liefert hierbei sein Nenndrehmoment.

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