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Antriebssteuerung

Feldorientierte Steuerung von Elektroantrieben in Fahrzeugen

22. November 2013, 9:33 Uhr | Von Michael Seidl

Feldorientierte Steuerungen ermöglichen eine präzise Regelung auf Grundlage des Drehmoments und der Geschwindigkeit.

Im Vergleich zu herkömmlichen Regelungen von Elektromotoren erlauben feldorientierte Steuerungen (FOC) eine präzise Regelung auf Grundlage des Drehmoments und der Geschwindigkeit. Diese Eigenschaft ist auch bei Motoren wichtig, die in Kraftfahrzeugen, Elektromobilen und Elektrofahrrädern zum Einsatz kommen. Allerdings benötigen konventionelle feldorientierte Steuerungen einen Positionssensor. Das erhöht die Systemkosten und begrenzt die Optionen von Entwicklern. Einen Ausweg bietet InstaSPIN-FOC in Verbindung mit dem Software-Sensor-Algorithmus FAST von Texas Instruments. Diese Lösung vereinfacht den Einstieg in die sensorlose feldorientierte Regelung und ermöglicht es, robuste, hoch zuverlässige und vor allem energieeffiziente Motoren für den E-Mobility-Bereich zu entwickeln.

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Aus der Fahrzeugtechnik sind Elektromotoren nicht wegzudenken (Bild 1). Ein Mittelklasse-Pkw ist derzeit mit durchschnittlich rund zehn Pumpen und Kompressoren ausgestattet, zudem sind etwa 40 Elektromotoren im Einsatz. Bei Kraftfahrzeugen der Oberklasse kann diese Zahl, je nach Ausstattung, auf deutlich mehr als 100 Motoren ansteigen. Elektroantriebe werden unter anderem in Wasser- und Kraftstoffpumpen verwendet, außerdem in adaptiven Fahrwerksregelungen, Lüftern, Kompressoren, Servolenkungen, Scheibenwischanlagen und elektrischen Fensterhebern.

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Ein weiteres, zukunftsträchtiges Einsatzgebiet von Elektroantrieben ist der Bereich Elektromobilität. Neben Hybridfahrzeugen, die parallel einen konventionellen Verbrennungsmotor und einen Elektroantrieb nutzen, sind hier E-Mobile mit reinem Elektroantrieb zu nennen. Aktuelle Beispiele aus dem Pkw-Bereich sind unter anderem der BMW i3, der Volkswagen e-up! und der Opel Ampera. Auch bei Nutzfahrzeugen lassen sich Elektromotoren verwenden, beispielsweise in Antrieben von Elektrobussen, die im Nahverkehr eingesetzt werden.

Anforderungen an Elektromotoren in Fahrzeugen

Elektromotoren in Fahrzeugen müssen folgende Anforderungen erfüllen:

hoher Wirkungsgrad,
kompakte Bauweise und niedriges Gewicht,
hohe Robustheit und Unempfindlichkeit,
zuverlässiger Betrieb und geringer Wartungsaufwand,
eine möglichst niedrige Geräuschentwicklung sowie
niedrige Produktionskosten.

Diese Vorgaben gelten für Motoren, die als Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden, wie etwa Radnabenmotoren, aber auch für Modelle, die in Pumpen, Lüftern, Fensterhebern oder Servolenkungen Verwendung finden.

Feldorientierte Steuerung für effiziente Elektromotoren

Eine bewährte Option, um den Wirkungsgrad sämtlicher Elektromotoren zu erhöhen - also neben den Antrieben von E-Mobilen auch die darin verbauten elektrischen Hilfsantriebe - ist der Einsatz einer feldorientierten Steuerung. FOC weist mehrere Vorteile auf:

Ein Motor lässt sich jederzeit mit dem optimalen Drehmoment und der idealen Geschwindigkeit betreiben.
FOC erlaubt eine exakte und schnelle Geschwindigkeitsregelung. Diese ist wichtig, wenn häufig dynamische Laständerungen auftreten, beispielsweise bei einem Lüfter oder Kompressor.
Die geringere Drehmoment-Schwankung ermöglicht eine gleichmäßige Motordrehung. Das reduziert den Geräuschpegel - ein wichtiger Faktor bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen ohne geräuschintensiven Verbrennungsmotor. Zudem reduziert der gleichmäßige Lauf des Motors den Verschleiß der Lager, was sich wiederum positiv auf die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auswirkt.

Allerdings weist die feldorientierte Steuerung mehrere Nachteile auf. Einer der gravierendsten ist, dass FOC den Einsatz eines Sensors erfordert. Dieser kann entweder in Form eines mechanischen Sensors oder eines komplexen Software-Sensors (Observer) implementiert werden. Ein Sensor ist notwendig, weil FOC eine exakte Bestimmung der Rotorposition erfordert, um ein entsprechendes Magnetfeld im Stator zu erzeugen. Das wiederum ist die Voraussetzung dafür, um das maximale Drehmoment bereitzustellen. Der Einsatz von Sensoren und Observern - insbesondere in Fahrzeugen - führt jedoch zu steigenden Kosten und einer höheren Fehlerquote. Nach Angaben des niederländischen Unternehmens e-Traction, eines Herstellers von Elektromotoren für Elektrobusse, erwiesen sich FOC-Sensoren als diejenigen Komponenten mit der niedrigsten Zuverlässigkeit im gesamten Systemaufbau. Ein Großteil der Ausfälle bei den Elektromotoren des Herstellers war auf Schwierigkeiten mit solchen Sensoren zurückzuführen.

Herkömmliche sensorlose Implementierungen, beispielsweise ein Sliding Mode Observer (SMO), erfordern jedoch eine hohe Expertise des Entwicklers. Außerdem weisen entsprechende Steuerungen eine unzureichende Stabilität im unteren Geschwindigkeitsbereich auf. Das ist vor allem bei langsam drehenden Motoren oder beim Hochfahren eines Elektromotors problematisch.