Motion Control IC

Sensorlose BLDC-Motoren mithilfe der Gegen-EMK ansteuern

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Der Hauptnachteil dieses einfachen Komparator-Verfahrens ist, dass die drei Wicklungen möglicherweise nicht identische Eigenschaften haben, was zu einer positiven oder negativen Phasenverschiebung vom tatsächlichen Nulldurchgangspunkt führt. Der Motor wird wahrscheinlich noch laufen, kann aber eine hohe Stromaufnahme zeigen.

Die praktikable Lösung besteht darin, einen virtuellen Nullpunkt durch Verwendung von drei Widerstandsnetzwerken, die parallel mit den Motorwicklungen verbunden sind, zu erzeugen (Bild 5). Die rückwirkende EMK wird dann mit dem virtuellen neutralen Punkt verglichen.

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Eine dritte Methode ist die in Bild 6 gezeigte Verwendung von Analog/Digital-Wandlern (ADC). Viele der zur BLDC-Motorsteuerung verfügbaren MCUs beinhalten High-Speed-ADCs, die für diesen Zweck geeignet sind. Mit diesem Verfahren wird die rückwirkende EMK gedämpft, sodass sie direkt in die MCU eingespeist werden kann.

Das Signal wird dann vom ADC abgetastet und mit einem dem Nullpunkt entsprechenden digitalen Wert verglichen. Wenn die beiden Werte übereinstimmen, wird der nächste Schritt der Spulenerregungssequenz aktiviert. Dieses Verfahren bietet einige Vorteile, wie die Verwendung digitaler Filter, um Hochfrequenz-Schaltkomponenten aus dem rückwirkenden EMK-Signal zu entfernen.

Die sensorlose BLDC-Motorsteuerung hat einen großen Nachteil: Wenn der Motor steht, wird keine rückwirkende EMK erzeugt und damit gibt es auch keine Informationen über die Stator- und Rotorposition für die MCU.

Eine Lösung für das Problem besteht darin, den Motor durch das Erregen der Spulen in einer vorbestimmten Sequenz in einer Konfiguration mit offener Schleife zu starten. Während der Motor wahrscheinlich nicht effizient arbeitet, wird er dennoch beginnen sich zu drehen. Schließlich wird die Drehzahl ausreichen, um genug rückwirkende EMK für das Steuersystem zu erzeugen, sodass in den normalen (und effizienteren) Betrieb mit geschlossener Schleife gewechselt werden kann.

Weil die rückwirkende EMK proportional zur Drehzahl ist, sind sensorlose BLDC-Motoren keine gute Wahl für Anwendungen, die sehr niedrige Drehzahlen erfordern. Hier sind BLDC-Motoren mit Hall-Effekt-Sensoren besser geeignet.

Sensorlose BLDC-Motorsteuerungen

Die zunehmende Beliebtheit von sensorlosen BLDC-Motoren ist Katalysator für die Halbleiterhersteller, Chips speziell für die Aufgabe der Kontrolle und des Betriebs zu entwickeln. Das Steuersystem für den Motor besteht typischerweise aus einer MCU zusammen mit einem IGBT- oder MOSFET-Treiber.

Es stehen viele MCUs zur sensorlosen BLDC-Motorsteuerung zur Verfügung, angefangen von einfachen kostengünstigen 8-Bit-Einheiten bis hin zu 16- und 32-Bit-Einheiten mit höherer Leistung, die alle über die Mindestperipheriekomponenten verfügen, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind. Diese Peripheriegeräte beinhalten Dreiphasen-PWMs, ADCs und Komparatoren für den Überstromschutz.

Zilog etwa offeriert die Z16FMC-Familie von 16-Bit-MCUs für die sensorlose BLDC-Motorsteuerung. Es sind MCUs mit schnellen Interrupt-Reaktionszeiten für PWM-Updates in Echtzeit. Der Controller Z16FMC bietet ein automatisiertes Zusammenspiel zwischen dem ADC und dem Timer und zwischen dem Komparator und den PWM-Ausgängen. Bild 7 zeigt ein Blockdiagramm der Motorsteuerungs-MCU von Zilog.

Ebenfalls eine beliebte MCU zur sensorlosen BLDC-Motorsteuerung ist der Baustein PIC18F2431 von Microchip. Dieser Mirkocontroller verwendet einen 8-Bit-Prozessor und kann mit Geschwindigkeiten von bis zu 16 MIPS arbeiten. Varianten in der PIC18F-Familie haben eine Dreiphasen-PWM-Motorsteuerungsperipherie mit bis zu acht Ausgängen und einen 10- oder 12-Bit-ADC.

Texas Instruments als weiterer Hersteller bietet unter der Bezeichnung DRV8312-C2-KIT (Bild 8) ein Motorsteuerungs-Evaluierungskit für dreiphasige BLDC-Einheiten. Es basiert auf dem PWM-Motortreiber DRV8312 und hilft bei der schnellen Realisierung einer sensorlosen feldorientierten Regelung (FOC) und sensorbehafteten/sensorlosen Trapezkommutierungs-Plattform. Zu den Anwendungen gehören bürstenlose Motoren bis 50 V und 7 A zum Antrieb medizinischer Pumpen, Tore, Aufzüge und kleiner Industriepumpen sowie Robotik und Automation.

Für eine Vielzahl von Anwendungen können Ingenieure die Vorteile der kompakten und leistungsstarken sensorlosen BLDC-Motoren in Anspruch nehmen. MCUs und IGBT- oder MOSFET-Treiberchips, die speziell für die Aufgabe konzipiert wurden, erleichtern den Design-Prozess. Zudem kann die Entwicklungsarbeit durch Nutzung von Evaluierungskits großer Anbieter, die Referenzschaltungen für bewährte sensorlose BLDC-Motorlösungen enthalten, gestrafft werden.

* Steven Keeping ist Autor im US-amerikanischen Publishing House Hearst Electronic Products.

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