Universelle Lösung gesucht Mikroprozessor-basierte Antriebssteuerungen

Toshiba bietet ARM-Cortex-M3-basierte Mikrocontroller für eine effizientere Antriebssteuerung an.
Toshiba bietet ARM-Cortex-M3-basierte Mikrocontroller für eine effizientere Antriebssteuerung an.

Motoren sind heute überall. Und alle Motoren zusammen benötigen riesige Mengen an Energie. Also sollen Motoren nach Möglichkeit effizienter werden. Am praktischsten für die Entwickler wären hierbei Lösungsansätze, die sowohl Standard- als auch komplexe Anwendungen unterstützen.

Die Industrie verlangt nach immer effizienteren Motoren. Bei den Motoren und den angesteuerten Halbleiterbausteinen sind zwar noch weitere Effizienzsteigerungen erzielbar – das größte Potenzial liegt jedoch in der Optimierung der Antriebssteuerung, deren Entwicklung allerdings eine besondere Herausforderung darstellt. Serienmäßige (Off-the-Shelf) Lösungen, die möglichst viele Anforderungen erfüllen, sind daher gewünscht.

Nicht nur in Betrieben kommen Motoren in zahlreichen Anwendungen, zum Beispiel für Drehantriebe, Förderanlagen, Servo-Antriebe, Flüssigkeitspumpen und Kühlsysteme (einschließlich Lüfter), zum Einsatz. Da immer mehr grundlegende Funktionen automatisiert werden, steigt generell die Zahl der Motoren, die uns umgeben – im Büro, in der Wohnung und im Auto.

Die Internationale Energieagentur schätzt, dass Elektromotoren für fast die Hälfte (46 %) des weltweiten Energiebedarfs verantwortlich sind. Deshalb stehen Motoren im Fokus zahlreicher Initiativen für mehr Energieeffizienz. So hat beispielsweise die Europäische Union im Jahr 2009 die ErP-Richtlinie (Energy-related Products) 2009/125/EC eingeführt. Diese Richtlinie gilt für zahlreiche Verbraucher; dabei bezieht sich die Verordnung 640/2009 vor allem auf Elektromotoren, egal ob sie nun eigenständig oder als Teil eines größeren Systems betrieben werden.

Motorhersteller und Anwender müssen also hohen rechtlichen und wirtschaftlichen Anforderungen nachkommen, denn wenn die Produkte nicht den aktuellen Richtlinien entsprechen, lassen sie sich nicht verkaufen. Während der Motor selbst ein grundlegender Bestandteil jeder Antriebssteuerung ist, hat die Art der Antriebssteuerung einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems.

Motor- und Ansteuerungsarten

Im Vergleich zu herkömmlichen bürstenbehafteten AC- und DC-Motoren bieten bürstenlose DC-Motoren (BLDC) zahlreiche Vorteile wie eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Kosten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren weisen BLDC-Motoren keinen Kommutator auf. Sie benötigen daher eine komplexe Elektronik, um eine Drehmomentsteuerung bereitzustellen, wie sie in modernen Anwendungen erforderlich ist.

Die Geschwindigkeitskontrolle minimiert den Strom in den Statorwicklungen derartig, dass nur das Drehmoment erzeugt wird, das benötigt wird, um die Drehzahl zu halten. Dies stellt sicher, dass die gesamte Kraft für die Motordrehbewegung aufgewendet wird, was optimale Effizienz und Zuverlässigkeit garantiert. Eine Herausforderung dabei ist die Strommessung, die benötigt wird, um einen Vergleich mit dem gewünschten Drehmoment zu ermöglichen.

Bei einer trapezförmigen Antriebssteuerung werden die Statorströme so eingestellt, dass sie in den Wicklungen auf jeder Seite des Rotors gleich sind, während die dritte Wicklung stromlos ist. Beginnt sich der Rotor zu drehen, durchläuft der Strom jeder Phase die Zustände positiv, null und negativ. Somit entsteht ein trapezförmiger Strom, der einem sinusförmigen Signal ähneln soll. Eine solche Art der Ansteuerung kann jedoch zu Ungenauigkeiten und Geräuschentwicklung führen, vor allem bei niedrigen Drehzahlen.

Eine sinusförmige Ansteuerung basiert auf phasenverschobenen, sinusförmigen Stromsignalen, die ein besseres Drehmoment erzeugen. Dies erfordert genauere Informationen über die Rotorposition, und die Stromwerte müssen sehr schnell berechnet werden. Bei höheren Drehzahlen führen Verzögerungen bei der Berechnung zu einer höheren Ineffizienz.

Kasten: Entwicklungsunterstützung
Neben spezifischen Referenzdesign-Boards und Code-Beispielen erhalten Entwickler mit Toshibas Software MotorMind eine Möglichkeit zum einfachen Einrichten einer Antriebssteuerung. Die Software ermöglicht die Eingabe grundlegender Motorparameter, ohne irgendeinen Code schreiben zu müssen.
MotorMind bietet eine grafische Benutzeroberfläche und zeigt die tatsächlichen Motorparameter einschließlich Drehzahl und Drehmoment an. Das Entwicklungspaket umfasst auch ein µDSO (digitales Speicheroszilloskop), um Register innerhalb der Vector Engine darstellen zu können – basierend auf optionalen, konfigurierbaren Triggerpunkten.