Sensorik Magnetische Positionssensoren erhöhen das Drehmoment von BLDC-Motoren

Neue BLDC-Winkelpositionssensoren wie der AS5132 von ams kompensieren Winkelfehler, die auf Signalverzögerungen zurückzuführen sind, die vor allem bei hoher Geschwindigkeit bzw. Laständerung deutlich werden. ams hat eine neue magnetische Sensortechnik entwickelt, die noch präzisere Positionsmessungen als bisher ermöglicht, und die das Drehmoment bei hohen Geschwindigkeiten noch differenzierter steuern kann.

Bei einer Reihe von Automobil- und Industrieanwendungen bieten bürstenlose DC-Motoren (BLDC, auch bekannt als elektronisch regelbare Motoren) viele Vorteile gegenüber anderen DC-Motoren; sie sind heutzutage sehr weit verbreitet.

Bei einem herkömmlichen Motorregelkreis sind Geschwindigkeitsregulierung, Beschleunigungs- und Positionssteuerung übliche und etablierte Funktionen. Wenn es jedoch um BLDC-Motorsteuerungen geht, besteht außerdem die Möglichkeit, Signale von einem hochpräzisen Positionssensor zur Drehmomentsteuerung beim Anlaufen und im Betriebszustand zu nutzen. Eine effektive Drehmomentsteuerung sorgt für mehr Leistungsfähigkeit und verhindert ruckartige sowie andere unerwünschte mechanische Effekte, die durch Drehmomentschwankungen verursacht werden können.

Grundlagen des BLDC-Motors

BLDC-Motoren bestehen aus einem drehenden Dauermagneten (Rotor) sowie drei oder mehr im gleichen Abstand befestigten Wicklungen (Statoren). Durch Regulierung der Ströme in den Statoren lässt sich ein Magnetfeld mit veränderlicher Richtung und Größe erzeugen. Der Winkel, in dem Kraft an das Rotorfeld angelegt wird, beeinflusst den Betrag des erzeugten Drehmoments. Um das höchste Drehmoment zu erzielen, muss das Statorfeld orthogonal zum Rotorfeld angeordnet sein. Dies bedeutet wiederum, dass die relative Position des Rotors zu den Statoren entscheidende Datenwerte für die BLDC-Motorsteuerung liefert.

Methoden zur Positionserfassung der Rotorwelle

Bei einem BLDC-Motor gibt es mehrere Möglichkeiten, die Position der Rotorwelle zu messen. Eine häufig angewandte Methode ist die Gegen-EMK-Positionsmessung (EMK = elektromotorische Kraft) unter Nutzung einer Stern- oder Dreieckwicklung bzw. von Statorspulenströmen. Diese Methode ist aufgrund von ungenauen Positionsmesswerten, die in der Folge zu hohen Drehmomentschwankungen führen, leider nicht zufriedenstellend. Zudem erzeugt die Gegen-EMK-Messung ein schwaches Drehmoment beim Anlaufen. Die Gegen-EMK benötigt einen zusätzlichen Algorithmus zur Berechnung der absoluten Rotorposition sowie der relativen Positionsdaten.

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Winkelpositionssensorik, ams

Bilderstrecke zur Winkelpositionssensorik von ams

Entwickler von Motorsteuerungen nutzen auch verschiedene Methoden zur Positionsmessung der Rotorwelle mittels Sensoren. Dazu gehört die optische Abtastung, bei der Positionsdaten durch Entschlüsselung alternierender Hell- und Dunkelflecken an einer rotierenden Geberscheibe sowie die Anwendung diskreter Hall-Schalter ermittelt werden. Auch an die Rotorwelle angeflanschte Drehmelder können zum Einsatz kommen.

Optische Sensoren sind jedoch gegenüber Verunreinigungen durch Staub, Fett und Schmutz empfindlich. Einfache Hall-Schalteranordnungen erzeugen Positionsrohdaten mit niedriger Auflösung, die die Motorleistung beeinträchtigen und zu hohen Drehmomentschwankungen führen können. Drehmelder sind groß und kostspielig.

Eine neuere Art von Positionssensoren, der Hall-basierte Magnetsensor-IC, umfasst mehrere integrierte Hall-Sensoren und wird am Wellenende montiert. Wird er mit einem einfachen zweipoligen Magneten gepaart, der am Wellenende fixiert ist, erfasst der Sensor die Position der Welle. Die durch Rotation erzeugten stetigen Magnetfeldänderungen werden über eine Serienschnittstelle digital und zusätzlich als entschlüsselte Positionsdaten (UVW-Koordinaten) ausgegeben.

Anders als bei einer Anordnung diskreter Hall-Schalter erzeugt ein Sensor-IC mit integrierten Hall-Elementen präzise Positionsdaten mit hoher Auflösung, und die spezielle interne Signalverarbeitung macht ihn nahezu resistent gegenüber magnetischen Fremdfeldern (Fremdfeldrobustheit speziell bei magnetischen Sensoren von ams). Auch bei niedriger Geschwindigkeit und Stillstand der Rotorwelle sind noch immer exakte Messwerte möglich. Im Gegensatz zu einem optischen Drehgeber ist ein Hall-basierter magnetischer Positionssensor nicht anfällig gegenüber Verunreinigungen und benötigt nur wenig Platz. Auf diese Weise kann die Steuerung einen präzise geregelten Strom durch die Statoren leiten, um ein Magnetfeld zu versorgen, das stets orthogonal zum Rotor angeordnet ist. Das Drehmoment lässt sich maximieren und Schwankungen des Drehmoments entfallen nahezu vollständig.