Evaluierungsplattform für Kleinantriebe Elektromotoren im Wandel

Die Ansteuerung elektrischer Motoren ist eine komplexe Aufgabe - und sie ist sehr vielfältig. Je nach Anforderung kommen heute unterschiedlichste Motorentypen zum Einsatz, die alle ihre Besonderheiten haben. Eine kleine Evaluierungsplattform von Arrow Electronics soll dabei helfen, Entwicklern einen Überblick zu verschaffen.

Die Funktionsweise eines Gleichstrommotors erlernt man im deutschen Schulsystem im Allgemeinen in der Mittelstufe. Ein statischer Magnet, ein dynamischer Elektromagnet auf einer Welle, ein Kommutator zur Umkehr des Stroms durch den Elektromagnet und, zu guter Letzt, eine Batterie zur Speisung der Vorrichtung - mehr benötigt man nicht für einen Elektromotor.

Manche Schüler kommen sogar in den Genuss, selbst einen Motor bauen zu dürfen und ihn am Ende laufen zu sehen. Physik zum Anfassen. Mit dem einfachen Modell des Physikunterrichts hat der moderne Elektromotor allerdings nicht mehr viel gemein. Den allergrößten Unterschied macht die Tatsache aus, dass die Kommutierung nicht mehr automatisch durch die Drehung des Rotors erfolgt. Stattdessen regelt eine Leistungselektronik die Richtung und Stärke des Stroms durch den Elektromagneten. Darüber hinaus hat sich die mechanische Anordnung von Rotor und Stator vertauscht.

Während bei dem Schulmodell der Permanentmagnet unbewegt ist und der Elektromagnet die Welle antreibt, bewegt sich bei dem modernen, bürstenlosen Gleichstrommotor der Elektromagnet nicht, und der Permanentmagnet ist fest mit der Welle verbunden. Diese Konstruktion ist, rein mechanisch gesehen, sehr einfach und robust. Es gibt außer der Welle und dem darauf befestigten Magneten keine bewegten Teile. Es gibt keinen Umschalter für den Strom, keine Schleifkontakte, kurz, keine Verschleißteile.

Mit dem Wegfall des Kommutators und der Bürsten entfällt auch das bekannte »Bürstenfeuer«, das eine breitbandige Quelle für elektrische Störabstrahlung darstellt. Die Herausforderung für den Betrieb eines bürstenlosen Gleichspannungsmotors liegt woanders: Wenn man einfach eine Gleichspannungsquelle an den Motor anschließt, dann dreht sich die Welle gegebenenfalls einige Grad und bleibt dann stehen.

Es ist die Aufgabe einer Ansteuerelektronik, den Strom in der richtigen Stärke und Richtung durch den beziehungsweise die Elektromagneten zu leiten, denn je nach Motorenart gibt es zwei, drei oder auch noch mehr dieser Erregerwicklungen. Dazu muss diese Ansteuerelektronik allerdings einige Sachen wissen, zum Beispiel: In welcher Lage, Drehrichtung und Geschwindigkeit befindet sich der Rotor gerade? Was soll der Motor jetzt tun? Beschleunigen, bremsen, Drehzahl geben, Widerstand halten? Und wie hoch ist eigentlich gerade der Motorstrom?

Energiekosten treiben die Entwicklung

Damit wird aus dem einfachen mechanischen Konstrukt ein komplexer Regelkreis, der seine Stelldaten über einen Kommunikationskanal bekommt (Bild 1).

Bei einer Vielzahl von Antrieben sind dabei die Komponenten Kommunikationsschnittstelle, Motorsteuerung, Leistungselektronik und Motor mechanisch zu einer kompakten Einheit zusammengefasst. Diese hat dann nur noch zwei elektrische Anschlüsse zur Außenwelt für die Versorgung mit elektrischer Leistung und die Übergabe von Stellwerten über einen Kommunikationskanal (Netzwerk). Doch der Wandel vom zwangskommutierten zum bürstenlosen Gleichstrommotor mit Ansteuerungselektronik ist noch nicht das Ende der Fahnenstange.

Gerade im Leistungsbereich oberhalb eines Kilowatts zeigt die betriebswirtschaftliche Auswertung sehr schnell, dass der Anschaffungspreis eines Motors klein ist im Vergleich zu den Energiekosten, die während der Lebensdauer anfallen, wenn der Motor häufig arbeitet. Bereits 2008 hat die Firma Siemens vorgerechnet, dass in der Industrieproduktion in der Europäischen Union durch den Einsatz effizienter Antriebstechnik 43 TWh an Energie pro Jahr eingespart werden könnten, was der Leitung von 19 fossilen Kraftwerksblöcken entspricht. Somit ist eine effiziente Antriebstechnik nicht nur aus Kostengründen sondern auch aus Gründen der Umweltverträglichkeit ein Muss.

Die EU-Verordnung 640/2009 beschreibt hierfür die Anforderungen. Um die geforderten Wirkungsgrade zu erreichen, ist neben der mechanischen Konstruktion und der hohen Qualität des Permanentmagneten der Regelalgorithmus das A und O. Jedes Quäntchen Strom, das zum falschen Zeitpunkt in eine der Erregerwicklungen geschickt wurde, muss zu einem anderen Zeitpunkt, wieder unter Einsatz von Energie, kompensiert werden. So ist es nicht verwunderlich, dass häufig schnelle DSP-Prozessoren verwendet werden, um die rechenintensiven Berechungen durchzuführen.

FPGA besser als DSPs.

Ein noch besserer Ansatz ist der Einsatz eines FPGAs für die Ansteuerelektronik.

Da in einem solchen Baustein kein Prozessor einen sequenziellen Algorithmus abarbeitet, sondern eine speziell für die Anwendung erzeugte Gatterschaltung parallel die nötigen Berechungen durchführt, erreicht man eine um mindestes eine Zehnerpotenz geringere Berechungsdauer. Liegt die Zykluszeit bei DSP-basierten Regelungen im Bereich von 100 µs, erreichen FPGA-basierte Regelungen Zeiten von 5 µs und weniger.

Doch FPGAs bieten noch mehr Vorteile. Der gewichtigste davon ist die Tatsache, dass die gesamte digitale Steuerung in ein einziges Bauteil integriert werden kann. Außerhalb des FPGAs gibt es nur noch die analogen Komponenten, etwa ein PHY für die Kommunikationsschnittstelle oder A/D-Wandler für die Erfassung der Stromstärke (Bild 2).

Im FPGA bearbeitet ein Prozessor den Softwarestack der Kommunikation, während zeitgleich die Gatterschaltung die Motorsteuerung durchführt.

Aufgrund all dieser Veränderungen kommt man mit dem Bastelbausatz nicht mehr weit, wenn man sich die Funktionsweise eines modernen, bürstenlosen Elektromotors genauer anschauen möchte.

Da sich die Aufgabenstellung von einer rein mechanischen zu einer elektrischen gewandelt hat, braucht man für die Experimente heute eine Plattform mit FPGA, Kommunikationsschnittstelle und Leistungselektronik, wie beispielsweise das System »BeInMotion« von Arrow (Bilder 3 und 4).

Sie ist gedacht als eine günstige und flexibel verwendbare Plattform für die Ansteuerung von Gleichstrom- und Schrittmotoren.

Mit dieser Plattform kann man unterschiedlichste Designaufgaben rund um die Ansteuerung von Motoren angehen, zum Beispiel die Fragestellung, wie man ein Fahrzeug mit getrennten Motoren für jede Seite gerade fahren lässt.

Selbst bei der Verwendung von zwangskommutierten Gleichstrommotoren hat man in dem Fall mit der Tatsache zu kämpfen, dass der linke und der rechte Motor unterschiedlich schnell drehen, bedingt durch zufällige Motorparameter und ungleiche Last.

Mit einer Rückkopplungsschleife über einen auf der Welle befindlichen Encoder lässt sich dieser Effekt kompensieren, und das Fahrzeug fährt geradeaus.

Über den Autor:

Harald Flügel ist Technical Marketing Manager Programmable Devices bei Arrow Electronics.