Bild 1: Die Erfassung der Phasenströme und Hall-Positionssignale ermöglicht eine effiziente BLDC-Motoransteuerung.

Bild 1: Die Erfassung der Phasenströme und Hall-Positionssignale ermöglicht eine effiziente BLDC-Motoransteuerung. Toshiba

Bürstenlose 3-Phasen-Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) sind inzwischen Standard in vielen Anwendungen, die wenig Strom verbrauchen und geräuscharm arbeiten müssen. Anstelle der klassischen Ansteuerung mit Rechtecksignalen verringern per PWM erzeugte sinusförmige Phasenströme die Vibrations- und Geräuschentwicklung sowie die Verlustleistung.

Für optimale Leistungsfähigkeit erfordert die Sinusansteuerung eine Phasenanpassung zwischen Motorspannung und Motorstrom, auch um einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahlbereich von fast null bis zu mehreren 1000 U/min zu erreichen. Die Umsetzung solcher Anforderung an die Regelung braucht Zeit und bedeutet zusätzliche Bauteile für die Phasenanpassung.

Eckdaten

Der neue BiCD-Chip-Prozess und ein geregelter Phasenwinkel zwischen Strom und induzierter Spannung (EMK) erreichen eine höhere Effizienz und gleichmäßigeres Drehmoment bei der Ansteuerung von BLCD-Motoren. Toshibas 3-Phasen-Sinnus-PWM-Treiber erfasst Strom und EMK je Phase und regelt die Ansteuerspannung per PWM-Tastverhältnis nach.

Bild 2: Phasenströme und resultierendes Drehmoment bei Block­kommu­tierung (Motor dreiphasig, zweipolig).

Bild 2: Phasenströme und resultierendes Drehmoment bei Block­kommu­tierung (Motor dreiphasig, zweipolig). Wikipedia, Miessen

Wegen ihrer besonderen Eigenschaften werden BLDC-Motoren in zahlreichen Anwendungen, zum Beispiel in industriellen Steuerungen, in Fahrzeugen, im Büro und zu Hause verwendet. Dazu gehören Ventilatoren, Pumpen oder Antriebe beweglicher Teile wie zum Beispiel in Druckern oder Festplatten.

Energieeffizienz ist inzwischen Grundbedingung des Klimaschutzes in nahezu jeder Anwendung oder auch unabdingbar bei begrenzter Verfügbarkeit von Energie wie in Batterie-Anwendungen. Die Ansteuerung von BLDC-Motoren wird daher auf Wirkungsgrad optimiert, und zwar in möglichst vielen Betriebszuständen. Auch mindert eine Sinusansteuerung die Entstehung störender Vibrationen und  Geräusche.

Sinus-PWM statt Blockkommutierung

Bild 3: Die Ansteuerung mit PWM-Phasenspannungen resultiert in sinusförmigen Stromverläufen und gleichmäßigerem Drehmoment.

Bild 3: Die Ansteuerung mit PWM-Phasenspannungen resultiert in sinusförmigen Stromverläufen und gleichmäßigerem Drehmoment. Toshiba

Die Ansteuerung von BLDC-Motoren erfolgt traditionell mittels Blockkommutierung, wobei die einzelnen Phasenstränge in wechselnder Polarität gegen die volle Betriebsspannungen geschaltet werden (Bild 2). Lediglich über die Einschaltdauer lässt sich das Drehmoment variieren. Bei dieser Ansteuerungsmethode wird jedoch der Motorstrom mit Oberwellen belastet, was sich auch im Drehmoment widerspiegelt und zu Vibrationen und unerwünschten Geräuschen führt. Für einen optimalen Wirkungsgrad müssen die Induktionsspannung und der Motorstrom zueinander phasengleich sein. Eine Weiterentwicklung in diese Richtung ist die Sinus-Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation (PWM) der Steuerspannung, wodurch sich ein sinusförmiger Stromverlauf und eine Regelung des Phasenwimkels realisieren lässt.

Sensorlose BLDC-Motoren benötigen zwar weniger Bauteile, ihre Anwendung beschränkt sich jedoch auf ein konstantes Drehmoment und eine längere Anlaufdauer. Motoren mit eingebauten Lagesensoren kennen die absolute Rotorposition, was zum Beispiel höhere Anlaufmomente erlaubt. Weiterhin verbessert dies die Dynamik bei Lastwechseln. Sensorbasierte Systeme sind einfacher zu implementieren, weil sie weniger Software-Entwicklung erfordern. Die Ansteuerung mit Sinus-PWM über eine diskrete Schaltung ist dagegen komplexer und benötigt im Vergleich mehr Bauelemente. Hoch integrierte Motorsteuerungen vereinfachen die Schaltungsentwicklung und verkürzen die Entwicklungzeit.

Mehr Effizienz durch neuen Chip-Prozess und geregelten Phasenwinkel

Der neue BiCD-Halbleiterprozess ermöglicht die Kombination von CMOS-Logik- und Bipolar-Leistungstransitor-Schaltkreisen gemeinsam auf einem Chip. Ein BiCD-Controller ist daher kleiner, erzeugt weniger Verlustleistung und ist  direkt kompatibel zu anderen Mikrocontrollern.

Bild 4: Der BiCD-Controller regelt Strom und gegeninduzierte Spannung in die gleiche Phasenlage und steigert damit die Effizienz des BLDC-Motors.

Bild 4: Der BiCD-Controller regelt Strom und gegeninduzierte Spannung in die gleiche Phasenlage und steigert damit die Effizienz des BLDC-Motors. Toshiba

Während Ende der 1990er Jahre mit 0,8-μm-Geometrie die Packungsdichte etwa 6000 Gatter/mm2 betrug, so ist sie heute im 0,13-μm-Prozess auf 200.000 Gatter/mm2 angestiegen und bietet damit eine höhere Logikkapazität. Im Vergleich zur einheitlichen Bipolar-Technologie haben BiCD-Controller über 80 % weniger Verlustleistung.

Toshiba stellt eine neue Regelung des Phasenwinkels vor. Die intelligente Phasenregelung (Inpac, Intelligent Phase Control) ermöglicht die vollautomatische Regelung von BLDC-Motoren bei weniger Stromverbrauch und Geräuschentwicklung. Verglichen mit der verbreiteten Vektorsteuerung verringert Inpac die Anzahl der Bauteile und ermöglicht einfachere Designs.

Ein Regler mit Inpac erkennt die Rotorlage und der Phasenwinkel des Motorstroms regelt die Induktionsspannung automatisch in die gleiche Phasenlage (Bild 4). Bei der herkömmlichen Sinus-Ansteuerung müssen Entwickler entscheiden, ob der optimale Wirkungsgrad bei niedriger oder hoher Drehzahl erzielt werden soll. Bei der Anpassung durch Inpac wird der Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl optimiert. Im Vergleich zur herkömmlichen Technik lässt sich der Stromverbrauch um etwa 20 % verringern (Bild 5).

Bild 5: Inpac erzielt den optimalen Wirkungsgrad bei allen Drehzahlen.

Bild 5: Inpac erzielt den optimalen Wirkungsgrad bei allen Drehzahlen. Toshiba

Ein Mixed-Signal-Treiberbaustein

Der neue 3-Phasen-Sinus-PWM-Treiber TC78B016FTG für BLDC-Motoren ist der erste Motortreiber, der im BiCD/CD-Prozess gefertigt wird. Der Mixed-Signal-Prozess bewirkt einen niedrigen Durchlasswiderstand RON von 0,24 Ω.

Der Baustein arbeitet mit Motorspannungen zwischen 6 und 30 VDC bei 3 A Spitzenstrom; der Eigenverbrauch liegt bei 6 mA.  Eine Drehzahlregelung wird damit flexibel und einfach. Entwickler können über den Pin SEL_SP eine einfache Analogspannung oder ein PWM-Signal bereitstellen. Die Drehrichtung des Motors wird durch High oder Low am Pin CW/CCW vorgegeben.

Bild 6: Der hochintegrierte Controller-Treiber-Baustein TC78B016FTG benötigt nur wenig externe Beschaltung um eine effiziente BLDC-Motorsteuerung zu realisieren.

Bild 6: Der hochintegrierte Controller-Treiber-Baustein TC78B016FTG benötigt nur wenig externe Beschaltung um eine effiziente BLDC-Motorsteuerung zu realisieren. Toshiba

Über den Pin SEL_LA lässt sich mithilfe einer Analogspannung ein Drehwinkel-Offset von -30 bis +30° einstellen, was eine Fehlausrichtung der Hall-Sensoren kompensiert. Der TC78B016FTG unterstützt drei externe Hall-Sensoren und einen externen Widerstand für die Strombegrenzung. Zu den weiteren Funktionen zählen Soft-Start, Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung sowie eine Bremsfunktion. Zu den Sicherheitsfunktionen zählen eine Blockiererkennung und ein Blockierschutz, Abschaltung bei Überhitzung und die Erkennung von Überstrom sowie Unterspannung (UVLO).

Der Baustein wird im 5 × 5 × 0,8 mm3 QFN36-Gehäuse ausgeliefert und ist somit klein und leicht genug, um direkt in die Motorbaugruppe integriert zu werden. Dies verringert die Leitungsanzahl sowie Größe und Gewicht der zugehörigen Anschlüsse. Die Treiberchip arbeitet in einem Temperaturbereich von -40 bis +105 °C.