Motion Control Motoransteuerung richtig gemacht

Kleine, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC – Brush Less DC) setzen sich immer mehr durch, sie verdrängen die mechanisch kommutierten Motoren und sind heute bereits im Consumer-Bereich zu finden. Motoren mit Betriebsspannungen bis zu 50 V und Leistungen zwischen einigen 10 bis wenigen 100 W werden am meisten nachgefragt. Aber wie lassen sich diese Motoren optimal ansteuern?

Ein „Predriver“-IC bietet Flexibilität und Sicherheit bei der Auslegung

Im neuen Predriver TMC603 von Trinamic wurde eine Reihe innovativer Konzepte realisiert, die dieses Aufgabenfeld adressieren. Auf dem Blockschaltbild (Bild 1) sieht zunächst alles einmal recht einfach aus – links der Mikrocontroller, rechts die drei Halbbrücken für die Ansteuerung und daran angeschlossen der dreiphasige, durch Permanentmagnete erregte BLDC-Motor. Dazwischengeschaltet ist ein Block mit Namen „Predriver“. Der Entwickler, der die Aufgabe hat, diesen Block mit Leben zu füllen, sieht sich mehreren Herausforderungen gegenüber.

Den „weißen Fleck“ füllen

Niederohmige N-Kanal-MOSFETBrücken erlauben eine hocheffiziente und verlustleistungsarme Ansteuerung von BLDC-Motoren. Zur Ansteuerung der MOSFETs werden einige Hilfsspannungen mit richtigem Niveau benötigt und es gilt, das korrekte Timing sicherzustellen. Ströme müssen präzise erfasst und geregelt werden, wobei etwaige Shunt-Widerstände die Effizienz reduzieren. Das Durchzünden der MOSFET-Halbbrücken muss ausgeschlossen und das „break before make“ sichergestellt werden, auch für die neue Generation von MOSFETs mit vergleichsweise hoher Gate-Drain- Ladung QGD. Es werden Diagnoseund Schutzfunktionen benötigt, die Fehlfunktionen wie Überstrom oder Kurzschlüsse erkennen und Schaden ausschließen.

Weiterhin gibt es den Trend, Motoren sensorlos zu kommutieren – also ohne Hall-Sensoren oder Encoder. Da die Positionierung mit Hall-Sensoren die Leistungsfähigkeit des Motors extrem beeinflusst, ist eine sensorlose, auf der generatorischen Wirkung des Motors basierende Kommutierung oft nicht nur einfacher, sondern auch besser. Dies ist insbesondere für kleine Motoren relevant, da hier die Anforderung an die absolute Positioniergenauigkeit sehr hoch ist. Auch dies soll der „weiße Fleck“ zwischen Mikrocontroller und Schalttransistoren leisten. Um bei all diesen zu bedenkenden Faktoren zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu gelangen, sind fundierte Kenntnisse der Analogtechnik erforderlich.

Die günstige Komplettlösung

Viele am Markt erhältliche Komponenten sind zu einfach aufgebaut und zu wenig anwendungsnah entworfen, um eine optimale Ansteuerung zu gewährleisten. Sie verlagern auch oft Funktionen in spezialisierte „Motion Control“-Mikrocontroller mit integrierter Spezialperipherie. Diese sind häufig teuer und schlecht verfügbar, und sie werden auch schnell wieder vom Markt genommen, wenn der Leitkunde entfällt. Einige der im neuen Predriver „TMC603“ von Trinamic realisierten Ideen definieren den „State of the art“ in dieser Disziplin und vereinfachen die Aufgabe erheblich.

Zentralisiert oder mechatronisch

Der Systemdesigner sieht sich immer häufiger vor der Fragestellung, ob die Aufgabe der Motoransteuerung auf einer Hauptplatine zentral realisiert werden soll oder ob ein mechatronischer Ansatz gewählt wird, bei dem Motor und Elektronik zu einer Einheit zusammengefasst werden. Der dezentrale Ansatz scheint auf den ersten Blick attraktiv, scheitert jedoch leicht an den „Nebenkosten“ für die Stromversorgung, dem zusätzlich erforderlichen leistungsfähigen Controller und einem zu großem Bauraum bei diskreter Realisierung. Der TMC603 ist für beide Konzepte gerüstet: Er kann relativ kostengünstige Mikrocontroller zur einfachen block-kommutierten Ansteuerung eines BLDC-Motors ergänzen, unterstützt aber auch durch entsprechende Messwert-Aufbereitung aufwendige sinus-kommutierte Systeme.