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.

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.

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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