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Die Güte von Motorregelungen

Einflüsse und Auswirkungen von Messfehlern

14. Dezember 2016, 9:19 Uhr | Von Thomas Brand

Die Qualität der Stromrückführung und die Strommessung haben eine wesentliche Bedeutung für die Güte von Motorregelungen. Welche Qualitätseinschränkungen können hierbei auftreten und wie lassen sich mögliche Messfehler verringern oder vermeiden?

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Getrieben durch ständig härter werdende umweltrechtliche Forderungen steigen auch die Ansprüche bezüglich des Energiebedarfs von Motorsystemen. Da bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren), auch als elektronisch kommutierte Motoren bekannt, gegenüber herkömmlichen Asynchronmotoren wesentliche Vorteile in Bezug auf Effektivität und Effizienz zeigen, nimmt ihre Marktdurchdringung stetig zu. Sie bieten im Vergleich zu Asynchronmotoren unter anderem höhere Wirkungsgrade, eine höhere Effizienz, Steuer- und Regelmöglichkeiten und ein besseres Geräuschverhalten. Solche Vorteile überwiegen die meist höheren Anschaffungskosten des BLDC-Motors und machen Asynchronmotoren obsolet.

Gerade beim Geräuschverhalten sind neue Ideen zur Verbesserung gewünscht, denn dieses spiegelt sich unter anderem in der Drehmomentwelligkeit des Motors wider. Bekanntlich verhalten sich Drehmoment und Strom proportional, weshalb der Qualität der Stromrückführung zur Regelung des Motorstroms und dessen Messsystem eine entscheidende Rolle zukommt.

Im Folgenden werden mögliche Schwächen und Fehlerquellen bei der Stromrückführung behandelt. Ferner werden Möglichkeiten zur Fehlerreduzierung bzw. -optimierung aufgezeigt und diskutiert. Nicht Bestandteil dieses Artikels sind Faktoren wie das Motordesign oder die Anordnung des Statorpakets und dessen Wicklungen bzw. das hierdurch entstehende Rastmoment sowie die Harmonischen der elektromotorischen Kraft (EMK) des Rotors.

Fehlerquellen

Bei Automatisierungsprozessen, bei denen die Produktionseffizienz direkt von der verfügbaren Regelbandbreite des Systems abhängt, sind vor allem die dynamischen Parameter der Stromschleife bzw. der Stromrückführung wie Reaktions- und Einschwingzeiten entscheidend. Daneben haben jedoch auch weitere Parameter wie Offset- und Verstärkungsfehler der Stromrückführung Einfluss auf die Drehmomentwelligkeit und damit auf die Geräuschemission des Motors.

Die beispielhafte Stromrückführung vom Motor zur Regelkomponente, wie sie in vielzähligen Applikationen zum Einsatz kommt, wird in Bild 1 dargestellt.

Einen weiteren kritischen Faktor bilden die Totzeiten bzw. Laufzeitverzögerungen der Leistungsendstufe, da die Drehmomentwelligkeit des Motors unter anderem auch direkt mit diesen zeitlichen Komponenten gekoppelt ist. Demzufolge überlagern sich die harmonischen niederfrequenten Anteile der elektrischen Statorfrequenz (überwiegend die Anteile der 5. und 7. Ordnung [1]) mit der durch die Leistungsendstufe weitaus höher getakteten Ausgangsspannung. Der Einfluss auf die Stromschleife ist hierbei im Wesentlichen von der Fähigkeit des Systems abhängig, die harmonischen Frequenzen zu unterdrücken.

Aber auch falsche oder zeitlich versetzte Abtastmomente der Ströme zur Regelung des Motorverhaltens generieren eine zusätzliche Fehlerkomponente. Zur Ansteuerung des Motors wird bei BLDC-Motoren meist eine getaktete Endstufe verwendet, auch als Inverterstufe bekannt. Hierbei kann der Motorstrom in zwei Komponenten zerlegt werden: eine Grundkomponente und eine getaktete Komponente, welche die durch die Abtastung gedämpfte Stromwelligkeit darstellt (Bild 2).