Nanotec Electronic Auch Schrittmotoren lassen sich jetzt sensorlos regeln

Stephan Huber, Nanotec Electronic: »Die sensorlose Regelung von Schrittmotoren ist nicht nur für Drehzahl-Applikationen nutzbar, sondern kann in Kombination mit der Open-Loop-Ansteuerung auch für Positionierungen eingesetzt werden.«
Stephan Huber, Nanotec Electronic: »Die sensorlose Regelung von Schrittmotoren ist nicht nur für Drehzahl-Applikationen nutzbar, sondern kann in Kombination mit der Open-Loop-Ansteuerung auch für Positionierungen eingesetzt werden.«

Sensorlose Regelung von Elektromotoren bedeutet, dass die Regelungselektronik ohne Drehgeber oder Encoder auskommt. Bei BLDC-Motoren (Brushless DC) ist dieses Prinzip schon seit längerem bekannt. Jetzt ist erstmals auch eine sensorlose Regelung von Schrittmotoren möglich.

Ein »virtueller Encoder« in der Motorsteuerung ermittelt dabei die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Rotors.

Alle sensorlosen Motorregelungs-Systeme nutzen den Effekt, dass der Motor im Betrieb eine Gegenspannung induziert, die sogenannte Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft), die direkt proportional zur Geschwindigkeit ist. Die einfachste sensorlose Ansteuerung beruht auf der direkten Messung der Gegen-EMK, wenn eine Spule im Kommutierungszyklus nicht bestromt ist. »Diese Methode erfordert jedoch im Vergleich zu einer Standardansteuerung eine spezielle Hardware und funktioniert nur ab etwa 10-20 Prozent der Nenndrehzahl des Motors stabil; darunter ist das Messsignal zu klein«, erläutert Stephan Huber, Geschäftsführer von Nanotec Electronic, dem Unternehmen, das die sensorlose Regelung von Schrittmotoren entwickelt hat. »Durchgesetzt haben sich deshalb in anspruchsvolleren Anwendungen Systeme, die mit Hilfe eines sogenannten ‚Beobachters‘ die nicht direkt gemessenen Größen wie Geschwindigkeit oder – in diesem Fall - Gegen-EMK aus anderen, vom Stromregler gemessenen Größen rekonstruieren.«

Den Kern eines solchen Systems bildet ein möglichst exaktes Modell des Motors, das parallel zum realen Motor aus den bekannten Eingangsgrößen wie der gestellten PWM Werte wie die Stromstärke in der Wicklung berechnet, die auch vom Stromregler gemessen werden. Die berechneten Werte werden mit den real gemessenen Werten in jedem Zyklus verglichen. »Durch den so ermittelten Beobachterfehler werden die internen Größen des Motormodells permanent nachgeregelt; so erhält man auch für eigentlich nicht gemessene Größen wie die Geschwindigkeit eine korrekte Schätzung«, verdeutlicht Huber. »Obwohl diese Methode nur funktioniert, weil sich die Reaktion der Wicklung durch die induzierte Spannung geschwindigkeitsabhängig ändert, sind die direkt gemessenen Größen auch bei kleineren Geschwindigkeiten noch gut messbar.« So erhalte man einen »virtuellen Drehgeber«, der ab einer gewissen Minimalgeschwindigkeit die Positions- und Drehzahlinformation mit der gleichen Präzision wie ein realer optischer oder magnetischer Drehgeber liefere.

Entscheidend für die Qualität des beobachtergestützten Reglers ist ein möglichst adäquates Modell des verwendeten Motors, sowohl was die mathematischen Formeln betrifft als auch die Motorkonstanten des jeweils angeschlossenen Motors. »Es galt also, ein ausreichend präzises mathematisches Modell des Motors zu finden, das auch von einem kleinen Mikroprozessor in jedem Regelungszyklus komplett berechnet werden kann«, führt Huber aus. »Prinzipiell ist der Schrittmotor zwar dem BLDC-Motor auch mathematisch ähnlich, allerdings hat er nur zwei statt der üblichen drei Phasen beim BLDC und weist auch durch die hohe Polzahl bei höheren Geschwindigkeiten einige Besonderheiten im Modell auf.«