Elektromotoren
Sensoren für mehr Laufruhe
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Feldorientierte Kommutierung
Die Block-Kommutierung hat einen konzeptbedingten Nachteil: Aufgrund der Einteilung in sechs Sektoren sind während einer Drehbewegung von 60° die Wicklungen konstant geschaltet. Das heißt, nur kurzzeitig stehen Kraft- und Feldlinien exakt 90° zueinander, was höchste Energieeffizienz bedeutet. Kurz vor den Umschaltpunkten stehen die Kraft- und Magnetfeldlinienvektoren nur noch mit 60° zueinander - in diesem Punkt sinkt der Wirkungsgrad auf nur noch 87 %.
Eine Verbesserung bietet ein vom Stator generiertes Magnetfeld, welches sich exakt mit der Rotordrehzahl mitdreht: Kraft und Magnetfeld stehen dann immer senkrecht zueinander. Dieses Prinzip wird dadurch erreicht, dass die Wicklungen nicht mehr Sektor-orientiert ein- oder ausgeschaltet, sondern so gepulst angesteuert werden, dass die Summe der Einzelmagnetfelder der Wicklungen ein permanent optimales Gesamtmagnetfeld hinsichtlich der Rotorposition ergibt.
Letztlich wird so ein sinusartiger Strom in den Wicklungen generiert, wodurch Drehmoment und Magnetfeld immer senkrecht zueinander stehen. Dieses feld-orientierte Verfahren bietet Vorteile wie hohe Laufruhe, sehr konstantes Drehmoment und die Möglichkeit einer drehzahldynamischen Ansteuerung. Voraussetzung ist jedoch die genaue und kontinuierliche Bestimmung der Rotorposition, welche allein durch Hall-Schalter nicht mehr bewerkstelligt werden kann. Für diese Messaufgabe sind präzise Winkelsensoren gefragt.
Präzise Winkelsensoren
Für die feldorientierte Kommutierung muss der Winkelsensor über die gesamte Lebenszeit und unabhängig von Temperatur und Rotationsgeschwindigkeit die Position des Magneten präzise bestimmen können. Die Winkelsensoren der TLE5009/TLE5012B-Serie zeichnen sich dabei durch eine hohe Aktualisierungsrate in Kombination mit sehr kurzen Verzögerungszeiten aus, wodurch selbst bei hohen Umdrehungszahlen und Lastwechseln ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Winkelsensoren werden vor dem Wellenkopf positioniert (Bild 4). Am Wellenkopf ist ein externer diametraler Magnet angebracht. Die Rotation dieses Magnetfeldes wird zuverlässig vom Winkelsensor erkannt.
Die neuen Winkelsensoren TLE5009 und TLE5012B basieren auf der iGMR-Technologie (integrated Giant Magnetic Resistive) von Infineon. Der TLE5009 stellt einen Winkelsensor mit analoger Schnittstelle und einfacher Implementierung dar, während der hochinte-grierte versatile TLE5012B über erweiterte Datenverarbeitungsfunktionen und mehrere digitale Schnittstellen verfügt.
Der TLE5012B (Bild 5) setzt neue Maßstäbe hinsichtlich der Kombination aus einer geringen Verzögerungszeit und einer hohen Signalauflösung. Er bietet eine Winkelgenauigkeit von 1° bei 15 bit Auflösung über den gesamten Funktionsbereich; bei Raumtemperatur wird eine Genauigkeit von 0,6° erreicht. Zudem wird die interne Verzögerungszeit durch Messung und eine integrierte Messdatenverarbeitung berücksichtigt. Das heißt, der Sensor kennt die Rotationsgeschwindigkeit und addiert eigenständig den zurückgelegten Winkel während der Messdatengenerierung zum Ausgangswert. Des Weiteren können folgende Schnittstellen gewählt werden: SSC, PWM, Incremental Interface (IIF), Hall Switch Mode (HSM) und Short PWM Code (SPC).
Entlastung für den Mikrocontroller
Die Hallschalter der TLE496x-Familie und die Winkelsensoren TLE5009/TLE5012B sind Sensoren für die Ansteuerung von BLDC-Motoren. Abhängig vom mechanischem Layout, dem Platzbedarf, der Platzierung der Motor-elektronik und der erforderliche Genauigkeit steht so für jede Anwendung eine ideale Lösung zur Verfügung. Die TLE496x-Schalter ermöglichen Platz und Kosten sparende Designs, während der TLE5009 ein enormes Einsparungspotenzial gegenüber diskreten Lösungen - mit Sensorbrücke, Hall-Element, Signalverstärker, Kompensations-Software - ohne Änderungen des Systemkonzeptes bietet. Der hochintegrierte TLE5012B mit integrierter Signalverarbeitung entlastet darüber hinaus den Mikrocontroller bei den Winkelberechnungen und aufwendigen Kalibrierungs-Algorithmen.
Die Autoren:
| Dr. Christoph Bilger |
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| ist im Produktmarketing bei der Infineon Technologies AG tätig, verantwortlich für Magnet- und Drucksensoren in industriellen Anwendungen. Er hat zehn Jahre Erfahrung im Produktmanagement von Halbleiterprodukten für Konsum-, Automobil- und Indus-trieanwendungen. |
Christoph.Bilger@infineon.com
| Dr. Konrad Kapser |
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| ist seit 2005 bei Infineon Technologies als Applikationsingenieur zuständig für Magnetsensoren. Sein Schwerpunkt sind Winkelsensoren für Anwendungen im Automobil. Er verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung im Bereich Entwicklung und Applikation von Sensoren im Bereich der Automobilindustrie. |
Konrad.Kapser@infineon.com
| Dr. Michael Brauer |
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| ist seit 2004 als Applikationsingenieur für die Sensorik bei der Infineon Technologies AG tätig. Seit 2012 ist er für die inte-grierten Druck- und Positionssensoren, Schwerpunkt Industrieanwendungen verantwortlich. Er unterstützt die Kunden direkt bei der Produktauswahl sowie in der Spezifikation neuer Produkte für effiziente Lösungen auf Applikationsebene. |
Michael.Brauer@infineon.com
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