Anwendungsbeispiel ARM-Cortex Halbleitertechnologie vereinfacht Antriebssteuerung

Die Einbindung kollektorlosen 3-Phasen-Gleichstrommotoren (BLDC) in eine Motorsteuerung ist komplex und zeitaufwändig. Sie erfordert eine Kombination aus Hardware-Design und Software-Programmierung. Durch die Weiterentwicklung bei Mikrocontrollern vereinfacht sich die Integration von Steuerungslogik und Treiber für hohe Spannungen auf einem Chip.

Bei kollektorlosen Gleichstrommotoren treten weniger elektrischen Verluste und Reibung auf, was den Wirkungsgrad im Gegensatz zu Bürstenmotoren erheblich verbessert. Die Geräuschentwicklung ist geringer, und die nicht vorhandene Funkenbildung kann zusammen mit den geringeren elektromagnetischen Störungen (EMI) die Sicherheit erhöhen sowie die Kosten zur Einhaltung von EMV-Bestimmungen senken. Zudem werden Lebensdauer Zuverlässigkeit der Anwendung deutlich verbessert.

Hinzu kommt, dass sich BLDC-Motoren (Brush-Less DC) abdichten lassen, da die Wicklungen feststehen und mittels Wärmeleitung gekühlt werden, eine Luftzufuhr erübrigt sich. Somit vereinfacht sich der Aufbau dieser Motoren in Geräten, die innerhalb von Flüssigkeiten oder in feuchten oder staubigen Umgebungen verwendet werden. In der Praxis stellt die kollektorlose Variante meist die technisch bessere Lösung dar. Wegen der Kosten und der Komplexität der BLDC-Ansteuerung sind diese bis heute nur auf High-end-Anwendungen beschränkt.

Motorsteuerung in Echtzeit

Da der BLDC-Motor keinen Kommutator und damit keine Bürsten hat, muss das optimale Stromsignal für jede Stator-Phase in Echtzeit berechnet werden. Ziel ist es, ein Stator-Feld zu erzeugen, dass 90° phasenverschoben zum Rotor-Feld ist. Damit wird ein maximales Drehmoment erzielt und die Belastung des Rotor-Lagers minimiert. Der erforderliche Strom hängt von der Rotor-Position ab, die über diskrete Sensoren, wie z.B. Hallsensoren, erkannt wird. Auch eine sensorlose Implementierung mittels Berechnung des Rotor-Stroms ist möglich.

Die zugrunde liegende Funktion einer sensorlosen Ansteuerung vergleicht den Rotor-Strom mit dem geforderten Drehmoment und legt eine PI-Funktion (Proportional-Integral) an das resultierende Fehlersignal an. Damit wird ein Korrektursignal generiert, das dann pulsweitenmoduliert (PWM) und zur Steuerung der Ausgangsbrücke des Motortreibers verwendet wird. Ein sinusförmiger Strom an der Stator-Windung erzeugt ein "weiches" Drehmoment, setzt aber voraus, dass der erforderliche Wert des Stator-Stroms so schnell wie möglich berechnet wird, sobald die Rotor-Position erkannt wurde. Ein sinusförmiges Signal anstelle eines trapezförmigen Signals minimiert Oberschwingungen, erhöht die Energieeffizienz und verhindert die Übertragung von Verzerrungen in das Versorgungsnetz.

Bei hohen Drehzahlen hängt die genaue Berechnung des Stator-Stroms von der Bandbreite der PI-Funktion ab. Eine feldorientierte Regelung (FOC) oder Vektorregelung überwindet die Geschwindigkeitsbeschränkung einer sinusförmigen Regelung, indem die Motorströme und -spannungen in Bezug auf die direkten und 90° phasenverschobenen Achsen gehandhabt werden. Das Stator-Feld muss dabei konstant bleiben und 90° phasenverschoben zum Rotor-Feld sein - ungeachtet jeglicher Bandbreitenbeschränkungen des PI-Controllers.

Bild 1 erläutert das Prinzip der FOC. Die erfassten Stator-Ströme werden über eine Transformationsfunktion in Rotor-Direkt- (D) und Quadratur-Komponenten (Q) umgewandelt. Um maximales Drehmoment zu erzielen werden die D- und Q-Ströme dann mit Null bzw. mit dem von der Anwendung geforderten Drehmoment verglichen. Die daraus entstehenden Fehlersignale werden in zwei PI-Blöcke gespeist, die Signale in der D-Q Bezugsebene generieren. Diese müssen dann in der Stator-Domäne umgewandelt werden, um das PWM-Signal für jede Stator-Phase zu generieren.

Da die Eingänge der PI-Funktion konstant sind, behält die FOC bei allen Rotor-Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad bei - ungeachtet jeglicher Bandbreitenbeschränkungen des PI-Controllers. Um die FOC allerdings in Echtzeit auszuführen, ist eine schnelle Abarbeitung der Funktionen erforderlich, die zuerst die erfassten Stator-Stromsignale in die Rotor-Domäne umwandeln und dann die statischen PI-Werte in die spannungsgesteuerten Signale für die Ausgangsbrücke umsetzen.