Steuereinheit zur sensorlosen Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren
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Fortsetzung des Artikels von Teil 2
TruSense Motoransteuerung
Es lässt sich nicht leugnen, dass der gute alte Röhren-Fernseher am besten an die heute vorherrschende TV-Übertragung angepasst ist: über Antenne, Kabelanschluss und Satellit empfängt man in Deutschland heute Programme in einer der PAL-Norm entsprechenden Bildauflösung von 720 x 568 Bildpunkten. Die Ausstrahlung erfolgt im Zeilensprungverfahren. Das gleiche Format nutzt die immer beliebtere DVD. Da normale Bildröhren im Zeilensprungverfahren betrieben werden, ist bei den Niedrigpreis-Fernsehempfängern keine weitere Formatkonversion erforderlich.
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Melexis hat zur Ansteuerung von BLDC-Motoren im sensorlosen Betrieb neuartige Verfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, die unter dem Begriff TruSense zusammengefasst und in den Baustein MLX81200 implementiert worden sind. In Abhängigkeit von der aktuellen Motordrehzahl werden in der Steuereinheit zwei Verfahren zur Ermittlung der Rotorlage kombiniert. Im ersten Fall induziert der sich drehende Permanentmagnet in den Stator-Spulen eine Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft), die gemessen und zur Bestimmung der Rotorlage verwendet wird.
Beim zweiten Verfahren überlagert sich der magnetische Fluss-Vektor des Permanentmagneten mit dem magnetischen Fluss der Stator-Spulen. Das bewirkt eine Abhängigkeit der Induktivität der Stator-Spulen von der Rotorlage. Durch geeignete Bestromung der Stator-Spulen kann die Induktivität gemessen und damit die Rotorlage bestimmt werden.
Prinzipiell könnte HDTV die Lösung aller Skalierungsprobleme sein, da hierbei eine vier- bis fünfmal größere Auflösung übertragen wird, so dass idealerweise einem ausgestrahlten Pixel genau eines auf dem Bildschirm entspricht. Leider steckt jedoch auch hier der Teufel im Detail: Beim hauptsächlich in Nordamerika und Korea eingesetzten ATSC-Standard (Advanced Television Standards Committee) sind 18 verschiedene Kombinationen von Auflösung, Bildwiederholrate und Halbbild-/Vollbildübertragung vorgesehen, die jedes kompatible Fernsehgerät empfangen, decodieren und an die jeweiligen Displayeigenschaften anpassen muss. Halbleiterhersteller freuen sich über den Bedarf an der dafür erforderlichen Elektronik: Neben den hochauflösenden MPEG-Decodern haben Skalierer- und De-Interlacer-ICs auch und gerade bei HDTV Hochkonjunktur. Denn mit dem „alten“ Fernsehstandard-Definition TV (SDTV) müssen die Geräte auf absehbare Zeit noch kompatibel bleiben.
Zwei Verfahren zur Lage-Erkennung
Die Amplitude der induzierten Gegen-EMK ist proportional zur Motorgeschwindigkeit. Daher kann eine messtechnische Erfassung nur oberhalb einer Mindestdrehzahl erfolgen. Die Form der induzierten Gegen-EMK ist von der Konstruktion des Motors abhängig und hat typischerweise einen zur Null-Achse symmetrischen trapezoder sinusförmigen Verlauf. Unabhängig von der Form treten Nulldurchgänge der Gegen-EMK an bestimmten Rotorpositionen auf, die zur Berechnung der Rotorlage verwendet werden können.
Um die Gegen-EMK zu messen, wird die Spannung an einem zeitweise stromlosen Motorterminal mit einer Referenzspannung verglichen. Diese Referenzspannung kann zum Beispiel durch drei Widerstände aus den Motorterminals gebildet werden (Bild 2, Pin T).
Um diese Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu erkennen, unterstützt der MLX81200 zwei alternative Verfahren.
Mittels Komparatoren wird der Pin T mit der stromlosen Motorphase verglichen und bei Nulldurchgang ein Interrupt ausgelöst. Ein analoges Integrationsfilter (Phasenintegrator) ermittelt die Differenz zwischen Pin T und der Spannung am stromlosen Terminal.
Mindestens zwei Integrationsperioden werden mit dem 10-bit-A/D-Wandler abgetastet und der Nulldurchgang aus den beiden Abtastwerten und den zugehörigen Zeiten mittels Interpolation berechnet.
Bewegung im Bild
Die bisher betrachteten Effekte sind sowohl für Stand- als auch für Bewegtbilder relevant. Außer bei Videotext oder Talkshows wird man in der Regel jedoch bewegte Bilder betrachten: von langsamen Landschaftsschwenks über große Sportereignisse bis hin zu waghalsigen Actionsequenzen. Stimmen alle Farben, ist das Format an das Display angepasst, das Rauschen reduziert, Schärfe und Kontrast optimiert und die diagonalen Linien geglättet, hat der Fernsehgeräte-Hersteller das Pflichtprogramm bewältigt. Die Kür – und damit die Differenzierungsmöglichkeit im Wettbewerb – besteht darin, Bewegungen im Bildinhalt auf jeden Displaytyp anzupassen und für das menschliche Auge und Gehirn optimal vorzubereiten.
Dies hat gegenüber der Komparatormethode folgende Vorteile:
- Die Integrationszeit wird in Abhängigkeit von der Motordrehzahl programmiert. Bei höheren Drehzahlen wird die Integrationszeit kürzer gewählt, da die Gegen-EMK stärker ist. Bei niedrigen Drehzahlen benutzt man eine längere Integrationszeit, dadurch wird die schwächere Gegen-EMK verstärkt und das Signal/Rausch-Leistungsverhältnis erhöht. Dadurch ist es möglich, den Motor auch noch bei sehr niedrigen Drehzahlen sicher zu betreiben.
- Durch die Interpolation ist der Messzeitpunkt nicht mehr zwingend an den tatsächlichen Nulldurchgang gebunden. Das ist bei starken dynamischen Last- oder Geschwindigkeitsänderungen hilfreich, aber auch, um den Motor mit sinusförmigen Strömen sensorlos zu betreiben.
Interessanterweise stellen die modernen LC-, Plasma- und andere Matrix-Displaytypen hier die größte Herausforderung für Mensch und Elektronik dar. Die Bildröhre stellt Bildinhalte genau wie vom Sender ausgestrahlt dar – im Zeilensprungverfahren – und dank der relativ kurzen Nachleuchtdauer der vom Elektronenstrahl angeregten Leuchtpunkte als stroboskop-artige und dadurch scharfe Momentaufnahmen der jeweiligen Bewegungsphase. Das Gehirn rekonstruiert während der Dunkelphase den ursprünglichen Bewegungsablauf, und so nimmt der Zuschauer eine flüssige Bewegung wahr.
Matrixdisplays arbeiten mit Vollbildern (progressiv) und erfordern damit die Umsetzung des Halbbild-Videosignals (interlaced) durch so genannte „De-Interlacer“-Schaltungen. Diese gibt es heute in verschiedenen Qualitätsstufen auf dem Markt. Mit zunehmender Bildschirmgröße und Bewegungsgeschwindigkeit des Bildinhaltes nimmt der Mensch die von der Halbbild/Vollbild-Umsetzung herrührenden Nebeneffekte immer störender wahr – mit anderen Worten: Bei einem großformatigen Wohnzimmer-Fernsehgerät müssen höhere Ansprüche an die Qualität der eingebauten Bildverarbeitungs-Elektronik gestellt werden.
Das erste Verfahren ist, wie gesagt, nur oberhalb einer Mindestdrehzahl einsetzbar. Um den Motor aus dem Stillstand auf die Mindestdrehzahl zu beschleunigen, kann der Rotor zuerst in eine bekannte Position gebracht werden und dann mit einer vordefinierten Rampe beschleunigt werden. Dieser Motoranlauf ist bei relativ konstanter Last gut durchführbar, wenn die Anwendung genügend lange Anlaufzeiten erlaubt (vor allem für die Drehung in die Ausgangsposition). Alternativ dazu unterstützt TruSense die Bestimmung der Rotorlage anhand des Einflusses der Spuleninduktivitäten auf die Motorströme.
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- Von der Bildröhre zum Flachdisplay
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- Nachleuchtende und vordenkende Displays
