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Sensorlose BLDC-Motoren mithilfe der Gegen-EMK ansteuern

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Ansteuern des Motors über die Nenndrehzahl hinaus

Das Ansteuern des Motors über die Nenndrehzahl hinaus erhöht die rückwirkende EMK erheblich und führt zur Verringerung der Potenzialdifferenz über den Wicklungen und damit zur Reduzierung des Stroms und des Drehmoments. Den Motor noch schneller zu treiben, führt schließlich dazu, dass die rückwirkende EMK (plus Motorverluste) den Wert der Versorgungsspannung erreicht; an diesem Punkt sind der Strom und das Drehmoment gleich Null. Da die rückwirkende EMK das Drehmoment des Motors beeinträchtigt, wird sie manchmal als Nachteil gesehen, aber im Fall von BLDC-Motoren haben die Ingenieure das Phänomen zu ihren Gunsten genutzt.

Jede Stufe der Kommutierungssequenz für einen Dreiphasen-BLDC-Motor wird durch die positive Erregung einer der Wicklungen, die negative Erregung der zweiten Wicklung und das Offenlassen der dritten erreicht. Bild 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der ersten Sequenz einer sechsstufigen Kommutationssequenz für einen solchen Motor.

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Beim BLDC-Motor mit Hall-Sensoren werden die Sensorausgänge dazu genutzt (gesteuert durch MCU und Treiber), um IGBTs (IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) für die korrekte sequentielle Erregung der Spulen zu schalten. Die Transistoren schalten, wenn das Hall-Sensor-Ausgangssignal seinen Zustand ändert (und die Spulen werden erregt).

In der sensorlosen Variante des BLDC-Motors variiert stattdessen die rückwirkende EMK in den drei Spulen entsprechend einer trapezförmigen Wellenform (lang gestrichelte Linie) während sich der Motor dreht, wie Bild 2 gezeigt. Zum Vergleich stellt das Bild auch die Ausgangssignale der Hall-Sensoren eines ähnlich konfigurierten Motors dar.

Um die Spulenerregungssequenz zu bestimmen, wird eine Kombination aus allen drei Nulldurchgangspunkten der Spulen verwendet. Beachten Sie, dass es eine Phasendifferenz von 30 Grad zwischen einer individuellen Hall-Sensorausgangsänderung in einem herkömmlichen BLDC-Motor und dem Nulldurchgangspunkt der rückwirkenden EMK einer individuellen Spule in einer sensorlosen Einheit gibt. Folglich ist in der Firmware einer sensorlosen Motorsteuerschaltung hinterlegt, dass nach der Feststellung des Nulldurchgangs eine 30-Grad-Phasenverschiebung stattfindet, bevor die nächste Aktion der Erregungssequenz aktiviert wird. In Bild 2 stellen die kurz gestrichelten Linien den Strom in den Spulen dar.

Bild 3 zeigt eine Steuerschaltung für einen sensorlosen Dreiphasen-BLDC-Motor. In diesem Fall verwendet die Schaltung die 8-Bit-MCU PIC18FXX31 von Microchip zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten (PWM) Ausgangssignale, die die IGBTs oder MOSFETs in der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke triggern. Die MCU reagiert auf Eingangssignale von einer die rückwirkende EMK überwachende Nulldurchgang-Erfassungsschaltung.

Verfahren zur Erfassung der rückwirkenden EMK

Zum Messen der rückwirkenden EMK gibt es mehrere Techniken. Am einfachsten ist es, die rückwirkende EMK über einen Komparator mit der halben DC-Busspannung zu vergleichen.

Bild 4 zeigt schematisch ein solches System. Der Komparator ist mit Spule B verbunden; in einem kompletten System wäre jede Spule mit einem Komparator verbunden. In der Abbildung wird die Spule A positiv erregt, Spule C negativ und Spule B ist offen. Die rückwirkende EMK steigt und fällt entsprechend der für diese Phase implementierten Erregungsfolge.

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