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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.

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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.

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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.

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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