Bei bürstenlosen DC-Motoren Absolute Positionsmessung für bessere Motorkommutierung

Positionssensor-Auswahl für BLDC-Motorsteuerung

Ein BLDC-Motorsteuerungssystem muss einen effizienten Anlaufbetrieb bieten, eine kontinuierliche Kommutierung aufweisen, die höchstmögliche Effizienz erreichen und das Maximaldrehmoment aus der verfügbaren elektrischen Leistung herausholen. Der Schlüssel zum Erreichen all dieser Ziele liegt darin, die Position des Rotors gegenüber dem Stator zu ermitteln. Eine Information, die es dem Entwickler des Motorsteuerungssystems ermöglicht, eine robuste Elektroantriebsmanagementlösung zu implementieren (siehe Bild 1).

Insbesondere kann der Motor dank der Verfügbarkeit absoluter Positionsdaten aus jeder Position problemlos starten. Demgegenüber könnte ein System, das diskrete Sensoren oder eine andere Steuerungstechnik verwendet, beim Starten einen Sprung machen oder „stolpern“, um vor Beginn des Normalbetriebs seine Startposition gegenüber den Statoren zu berechnen. Die Drehmomentreduzierung aufgrund ungenauer Positionsdaten wird in Bild 2 veranschaulicht.

Keine genaue Absolutposition

Leider bieten die einfachsten und kostengünstigsten Positionserfassungssysteme, die bisher den BLDC-Motorentwicklern zur Verfügung standen, keine genaue Absolut-Positionierung. Die Back-EMF-Positionserfassung (Electro-Motive Force) zur Kommutierung erfordert, dass der Motor in Bewegung ist, um für die Erfassung ein Magnetfeld zu erzeugen. Das bedeutet, dass ein Back-EMF-System über keine Positionsdaten beim statischen Betriebszustand verfügt. Es sei denn, dass er zuvor bis zu einem Ausrichtungspunkt kraftvoll angetrieben wurde. Eine Operation, die unabhängig vom Benutzer eine Vor- oder Rückwärtsbewegung des Motors bis zu diesem Ausrichtungspunkt zur Folge hat. Und nach dem Blockieren muss dieser Prozess wiederholt werden, um einen ordnungsgemäßen Neustart zu ermöglichen. In jedem Fall wird der Motor bis zum Erreichen eines Kommutierungsverriegelungspunktes unter einem reduzierten Drehmoment und einer verminderten Leistungserbringung leiden, da keine Daten über die absolute Rotor-Stator-Positionierung vorhanden sind.

Diskrete Hallschaltersysteme bestehen üblicherweise aus drei, fünf oder mehr während der Motorproduktion fixierten Hallsensoren. Platzierungsfehler führen zu Effizienz- oder Leistungsverlusten. So ist eine extrem präzise Montage erforderlich, damit ein diskretes Hallsensorsystem effektiv arbeitet. Jeder Hallsensor benötigt zudem eigene Signalleitungen, was den Produktionsprozess weiter verkompliziert.

Hinzu kommt, dass die Sensoren, obwohl sie selbst in Absolut-Positionen fixiert sind, keine absoluten Positionsdaten über eine komplette 360°-Rotation generieren können. Jede Position kann nur innerhalb des Win-kelschaltverhaltens des nächsten Hallsensors gemessen werden. Der daraus resultierende Positionsmessfehler kann erheblich sein, wenn der winkelbezogene Drehmomentverlust berücksichtigt wird.

Ein optischer Drehgeber kann absolute Positionsinformationen liefern. Das erfordert jedoch entweder eine physische Ausrichtung des Drehgebers zu den Motorkomponenten während der Montage oder eine Speicherung von Nullpunktinformationen auf der Systemebene. Der abträglichste Nachteil dieses Komponententyps ist seine potenzielle Anfälligkeit für Staub, Schmutz und andere Verunreinigungen. Ohne den Schutz eines abgedichteten Gehäuses kann eine Kontamination die Leistung des Drehgebers jederzeit beeinträchtigen.

Ein Resolver ist in der Lage, extrem präzise und genaue Positionsmessungen zu liefern. Aber die hohen Kosten einer typischen Resolverlösung, die die Resolvereinheit selbst und zusätzliche analoge und digitale Schaltungen beinhaltet, sind bei den meisten Kundenanwendungen und sogar bei Motorantriebssystemen für Endprodukte im Industriesegment und anderen Marktsegmenten unerschwinglich.

Jeder dieser Positionssensoren wird also von einem oder mehreren negativen Merkmalen begleitet:

  • unvorhersehbare/unerwartete Motorbewegung beim Start, die außerhalb der Kontrolle des Benutzers liegt
  • Fehlen von genauen absoluten Positionsinformationen unter allen Bedingungen
  • Kosten und schwierige Montage im Motor
  • hohe Stückkosten
  • Anfälligkeit für Verunreinigung