Bürstenlose Gleichstrommotoren: Elektromotoren ohne Sensoren steuern

Die Notwendigkeit, den Kraftstoffverbrauch zu senken, hat eine verstärkte Nachfrage nach zuverlässigen Lösungen zur Folge, die die Ansteuerung von Elektromotoren unter sehr anspruchsvollen Bedingungen ermöglichen. Bedingt durch seine niedrigen Rohstoffkosten und seine prinzipbedingt höhere Zuverlässigkeit ist der bürstenlose Gleichstrommotor die Lösung der Zukunft, und mit den heute bereits verfügbaren Fähigkeiten der sensorlosen Regelung rückt diese Zukunft einen entscheidenden Schritt näher, zumal neue Entwicklungen im Hardund Software-Bereich dafür sorgen werden, dass die Leistungsfähigkeit weiter zunimmt.

Automobilhersteller stehen vor der Herausforderung, ihren Flottenverbrauch den gesetzlichen Vorschriften anpassen zu müssen. Vor diesem Hintergrund wissen sie zunehmend die Vorteile von bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC Motors, kurz BLDCs) zu schätzen, die im Vergleich zu drehzahlgeregelten Gleichstrommotoren eine Effizienzsteigerung von typisch 20 bis 30 Prozent bewirken. Darüber hinaus können sie eine bis zu 50-prozentige Größen- und Gewichtsreduzierung speziell in Hochtemperatur-Umgebungen wie dem Antriebsstrang erzielen. Die geringere Lärmentwicklung von Fahrzeugen mit Hybridoder Elektroantrieb besonders bei niedrigem Tempo ist ein weiteres Kriterium, das geräuscharme BLDCMotoren zur bevorzugten Lösung für Pumpen und Lüfter macht, die nicht mehr per Keilriemen angetrieben werden.

Um das viel gelobte Potential bürstenloser Gleichstrommotoren in der Praxis tatsächlich ausschöpfen zu können, müssen die Kommutierungspunkte genau bekannt sein. Dies lässt sich beispielsweise mithilfe von Kommutierungssensoren auf Basis des Halleffekts realisieren. Der zugehörige Magnet wird an der Motorwelle angebracht. Die Hallsensoren lassen sich am Ende der Fertigung entsprechend der tatsächlichen Lage der Kommutierungspunkte kalibrieren. Nicht nur die Kosten der Sensoren fallen hier ins Gewicht, sondern durch ihre Implementierung wird die Motor- und Pumpenkonstruktion größer und komplexer. Die Kalibrierung versursacht überdies Mehrkosten, und Kalibrierungs- Offsets können die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.

Im Fall von Kraftstoffpumpen kommt eine Verwendung von Hallsensoren nicht in Frage, da die Sensoren in der Pumpe in der aggressiven Umgebung zerstört werden würden. Als Alternative bietet sich die sensorlose Erfassung der Kommutierungspunkte mithilfe der Statorwicklungen an. Diese Technik ist frei von den soeben angeführten Problemstellungen der ersten Lösung und kommt in Fahrzeugen der Oberklasse bereits seit einigen Jahren in der Produktion zum Einsatz – hauptsächlich für Kraftstoff- und Wasserpumpen, aber auch für Motorkühlerlüfter und Gebläse im Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Komplex. In diesen sensorlosen Lösungen der ersten Generation wurden die Kommutierungspunkte an Hand der Gegen- EMK einer nicht bestromten Spule erfasst.

In Anwendungen, in denen es auf einen geräuscharmen Betrieb ankommt (z.B. Lüftungsgebläse) werden Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) eingesetzt, die durch einen sinusförmigen Strom geregelt werden.Da es bei der PMSM-Regelung keine nicht bestromten Spulen gibt, setzt man hier auf die FOC-Regelung (Field-Oriented Control) oder auch Vektorregelung und verwendet mehrere Shunt- Eingänge im Verbund mit DSPs. Bauelemente,Entwicklung und Validierung treiben allerdings die Kosten soweit in die Höhe, dass die Sinusregelung nur für Fahrzeuge der Oberklasse in Frage kommt. Erwähnt werden sollte auch, dass die FOC-Regelung für ein verlässliches Anlaufverhalten und den Betrieb mit geringen Drehzahlen durch einen sensorgesteuerten Modus ergänzt werden muss.

ASSP als Lösungsansatz

Die Kfz-Elektronikanbieter haben aufgrund der Erfahrungen mit dieser ersten Generation eine Reihe von applikationsspezifischen Standardprodukten (ASSP) mitsamt den entsprechenden Regelalgorithmen entwickelt, um der sensorlosen BLDC-Technik ein größeres Anwendungsfeld durch Reduzierung der Komplexität bei der Entwicklung sowie durch Senken der Bauelementekosten zu erschließen. Ein Beispiel für eine grundlegende BLDC-Anwendung ist eine drehzahlgeregelte Kraftstoffförderpumpe als Ersatz für eine bestehende Lösung mit Gleichstrommotor. In mechanischen rücklauflosen Kraftstofffördersystemen dieser Art wird der Kraftstoffdruck mechanisch geregelt. Folglich sind die Motoren somit keinen größeren Lastschwankungen ausgesetzt. Die Drehzahlregelung dient hier zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Steigerung der Lebensdauer – sie hat nicht den Zweck, die Förderleistung in Echtzeit an den Bedarf anzupassen. Hierfür reicht eine herkömmliche Nulldurchgangs-Erfassung der Gegen-EMK im Sechsschritt-bzw. im so genannten Blockmodus aus. Die einzige Herausforderung besteht im Erzielen eines zuverlässigen und schnellen Hochlaufverhaltens. Derzeitige Lösungen basieren häufig noch auf einer Vorpositionierung des Läufers während des Anlaufens, wobei der BLDCMotor im Schrittmotor-Modus zweimal in einen definierten Zustand gebracht wird, um sicherzustellen, dass er in der richtigen Richtung anläuft. Zudem erfolgt das Hochlaufen ungeregelt, indem der Motor mit der maximal zulässigen Spannung beaufschlagt wird, um ihn schnellstmöglich auf eine Drehzahl zu bringen, bei der sich die Gegen-EMK erfassen lässt. Steht kein Gegen-EMK-Signal zur Verfügung, dient nach dem gegenwärtigen Stand der Technik die Rotorlage als Erfassungsgrundlage, indem man ihren Einfluss auf die Induktivitätswerte der Statorwicklungen misst (Reluktanz- Erfassung). Der BLDC-Motorregler MLX81200 von Melexis kann als Bestandteil seiner sensorlosen Tru- Sense-Technologie auch die Erfassung der Reluktanz übernehmen. In Anwendungen mit geringer Trägheit (z.B. Kraftstoffförderpumpen) ließen sich damit die Vorteile der Reluktanz-Erfassung belegen, da sich die Hochlaufzeiten von 200 auf kleiner 100 ms verringern. Durch Anwendung der Reluk tanz-Erfassung während der Hochlaufund Beschleunigungsphase lassen sich überdies die Toleranzen der Hochlaufzeit reduzieren, was die Applikation betriebssicherer macht. Schwieriger gestaltet sich die Rotorpositionierung in Anwendungen mit hoher Trägheit (z.B. bei Kühlerlüftern). In derartigen Applikationen bietet das Hochlaufen im geregelten Betrieb erhebliche Vorteile für die Betriebssicherheit. Bei Kühlerlüftern ist die Hochlaufzeit in der Regel kein wichtiges Kriterium, da sich der Anlaufstrom durch ein geregeltes, langsames Hochlaufen verringern lässt. Aus den hohen Strömen, die bei einem ungeregelten Hochlaufen fließen würden, ergäbe sich eine hohe mechanische Belastung für Hochstrom- Anwendungen wie etwa Kühlerlüfter. Diese mechanische Belastung erzeugt wiederum Lärm und geht auf Kosten der Motorlebensdauer.