Antriebsregelung Welcher Weg ist bei BLDC-Motoren der beste?

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) werden immer häufiger eingesetzt, was zu Neuentwicklungen bei Antriebsregelungen führt. Entwickler müssen sich deshalb entscheiden, welcher Ansatz für die jeweilige Anwendung am geeignetsten ist. Welche Vor- und Nachteile haben die verschiedenen Ansätze?

von Brian Chu, Product Line Marketing Manager in der Analog und Interface Products Division bei Microchip Technology.

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC Motors, BLDC) besteht der herkömmliche Ansatz darin, eine Motorregelung mit diskreten Bauteilen aufzubauen. Neuere Ansätze gehen dazu über, Ein-Chip-Lösungen auf Basis eines SoCs (System on Chip) oder ASSPs (Application-Specific Standard Product) oder eine Zwei-Chip-Lösung zu verwenden. Zwar reduzieren die neueren Ein- und Zwei-Chip-Lösungen die Bauteilanzahl sowie die Designkomplexität – jeder Ansatz weist aber bestimmte Vor- und Nachteile auf. Der Entwickler muss diese verstehen und eine Abwägung zwischen Flexibilität und platzsparender Integration treffen.

Unabhängig davon, welcher Ansatz genutzt wird, besteht jede Antriebssteuerung aus drei wesentlichen Elementen: Stromversorgung, Motortreiber und Steuerungseinheit. Eine herkömmliche diskrete Ansteuerung ist in Bild 1 dargestellt. Sie basiert auf einem einfachen RISC-Prozessor mit integriertem Flash-Speicher, der die Gate-Treiber ansteuert, die wiederum die externen MOSFETs ansteuern. Alternativ lässt sich der Motor direkt über den Prozessor ansteuern – mithilfe integrierter MOSFETs. Ein Spannungsregler versorgt den Prozessor und den Treiber.

Alle diese Bestandteile sind in der Regel in einem SoC-Motortreiber integriert. Das SoC bietet zudem den Vorteil, programmierbar zu sein. Damit lässt es sich in verschiedenen Anwendungen einsetzen. Als Ein-Chip-Ansatz eignet sich ein SoC ideal für Anwendungen, die nur begrenzten Platz auf der Leiterplatte bieten. Der Nachteil eines SoC-basierten Designs ist dessen geringere Rechenleistung und begrenzter interner Speicher. Die Anforderungen fortschrittlicher Antriebsregelungen lassen sich damit nicht erfüllen. Hinzu kommt, dass im Vergleich zu den zahlreichen Entwicklungswerkzeugen der MCU-Hersteller weniger Support für die Firmware-Entwicklung von SoC-Motorsteuerungen zur Verfügung steht.

Ein anderer Ein-Chip-Ansatz ist der ASSP-Motortreiber, der speziell für jede Anwendung eigens entwickelt wird. Der Vorteil eines ASSPs ist, dass er nur minimalen Platz auf der Leiterplatte einnimmt, was platzbeschränkten Anwendungen zugutekommt. Ein eigenständiger Treiberbaustein für einen Lüftermotor im 10-Pin-DFN-Gehäuse ist in Bild 2 dargestellt. ASSPs erübrigen auch eine Einstellung über Software und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungsverhältnis in der Serienfertigung. Die Performance entspricht der einer Highend-MCU. Ein ASSP-Motortreiber kann zum Beispiel zur Ansteuerung eines sensorlosen BLDC-Motors dienen. Dabei kommen sinusförmige Algorithmen zum Einsatz. Trotz dieser Vorteile lassen sich ASSPs nicht programmieren und sind nicht flexibel, was eine Anpassung an spätere leistungsfähigere Antriebe und Änderungen im Markt verhindert. Ein Design auf Basis eines SoC oder ASSP hilft Entwicklern in jedem Fall, dem dauerhaften Trend hin zu kleineren Systemen nachzukommen.