Wie sich sensorlose Motoren bei niedrigen Drehzahlen geräuscharm betreiben lassen

Etwa 8 Milliarden Elektromotoren sind derzeit in den Mitgliedstaaten der Europäischen Union (EU) in Betrieb und sie sind für etwa die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs innerhalb der EU verantwortlich. Eine entsprechende Gesetzgebung soll die Motoreffizienz steigern; so hofft die EU, bis 2030 jährlich 110 TWh Energie einzusparen, was die CO2-Emissionen jährlich um 40 MillionenTonnen verringern würde.

Die Umstellung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren auf elektronisch kommutierte Motoren hat zu erheblichen Verbesserungen der Energieeffizienz geführt. Folglich sind Geräte, die solche Motoren verwenden, viel besser auf die Richtlinien des EU Code of Conduct (CoC) abgestimmt. Dieser Ansatz sorgt auch für eine längere Lebensdauer des Motors und geringere laufende Wartungskosten.

Anstatt sich bei der Kommutierung auf Bürsten zu verlassen, kommen alternative Methoden zum Einsatz. Diese basieren häufig auf Hallsensoren oder Encodern, die die Rotorposition zu einem exakten Zeitpunkt bestimmen. Damit kann der Antrieb des Motors seine volle Wirkung entfalten. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen, bei denen sich solche Bauelemente als nicht praktikabel erweisen – deshalb sind sensorlose Motorantriebe hier von Vorteil.

Es gibt verschiedene Gründe, warum eine sensorlose Motorsteuerung für Entwickler interessant sein kann. In einigen Fällen stehen kommerzielle Erwägungen im Vordergrund, da die Kosten für die Stückliste niedrig gehalten werden müssen, d.h. es können nur wenige Bauelemente integriert werden. In anderen Fällen steht nur begrenzt Platz zur Verfügung, was eine sensorlose Steuerung prädestiniert.

Die elektronische Kommutierung einer sensorlosen Motorsteuerung macht sperrige und relativ teure Bauelemente überflüssig. Die Konsequenzen sind weniger kostenintensive und kompaktere Lösungen. Durch Messung der von den Permanentmagneten des Rotors in den Statorwicklungen erzeugten Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft) kann der zum Motor gehörende Mikrocontroller (MCU) die zur Gegen-EMK-Spannung proportionale Drehzahl und die Position des Rotors bestimmen. Damit lässt sich der Motor entsprechend steuern.

Es gibt verschiedene Formen der sensorlosen Motorsteuerung. Die feldorientierte Regelung (field-oriented control, FOC), auch Vektorregelung genannt, ist eine der am weitesten verbreiteten. Hier finden hochentwickelte Algorithmen Verwendung, um einen reibungslosen und effizienten Motorbetrieb sicherzustellen. Bei der Anwendung auf niedrigere Drehzahlen können jedoch Probleme auftreten, die sich auf den erzielbaren Wirkungsgrad auswirken.

Läuft der Rotor mit niedriger Drehzahl, steht wenig Gegen-EMK für Berechnungen zur Verfügung. Um dies zu umgehen kann die Änderung der Induktivität der Statorwicklungen überwacht werden, die durch das vorbeiziehende Magnetfeld des Rotors verursacht wird (Bild 1). Die Induktivität ist am höchsten, wenn sich die Flussachsen (d-Achse) der Statorspule und des Rotors senkrecht zueinander befinden (90° und 270°). Umgekehrt ist die Induktivität am niedrigsten, wenn sie parallel zueinander sind (0° und 180°). Diese daraus resultierende zeitliche Änderung der Induktivität ist ein sinusförmiges Signal, das die doppelte Frequenz der Rotordrehzahl aufweist.

Die überlagerten Statorströme werden von den FOC-Algorithmen zur Berechnung der Rotorposition verwendet. Solche Ströme führen jedoch zu einer hohen Drehmomentwelligkeit, die wiederum unerwünschte hörbare Geräusche, erhöhte elektromagnetische Störungen sowie hohe Vibrationen und damit mechanische Belastungen verursacht. Bei plötzlichen unerwarteten Bewegungen des Rotors kann es sogar zu physischen Schäden kommen. All dies wirkt sich nachteilig auf den Betrieb des Motors aus, seine Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer werden in Mitleidenschaft gezogen. Daher muss ein besserer Weg zur Steuerung von Motoren bei niedrigeren Drehzahlen gefunden werden.

Die indirekte Flusserkennung durch Online-Reaktanzmessungen (als INFORM bezeichnet) bietet eine Möglichkeit. Dabei wird das Phasenregelsignal an bestimmten Stellen mit hochfrequenten Pulsen beaufschlagt (Bild 2). Leider ist dieser Ansatz aber immer noch mit einer akuten Geräuschentwicklung verbunden.

Um eine effiziente Motorsteuerung bei niedrigen Drehzahlen sicherzustellen, haben die Entwickler von Toshiba eine Neuerung vorgestellt, bei der auf jede PWM-Phase unterschiedliche Modulationsträger angewendet werden können. Dies wird als symmetrisches Träger-PWM-Verfahren bezeichnet.

Die einzelnen Phasenausgänge können entweder über eine Sägezahn-, eine umgekehrte Sägezahn- oder eine Dreieck-Schwingung moduliert werden, haben aber dennoch einen gemeinsamen Synchronisationspunkt. Der fließende Strom kann aus der Differenzmessung zweier Phasen (vor und nach dem Synchronisationspunkt) abgeleitet werden, wenn der dritte PWM-Ausgang inaktiv ist (wie in Bild 3 beschrieben). Dadurch lassen sich die Probleme mit der Geräuschentwicklung und Lebensdauer vermeiden. Gleichzeitig wird die geforderte hohe Genauigkeit erzielt. Die MCUs TXZ+ von Toshiba verfügen über die erforderlichen Funktionen, um diese Technik umzusetzen.

FOC hat sich als die beste Methode für eine erfolgreiche sensorlose Motorsteuerung erwiesen. Mit ihr lässt sich ein effizienter Betrieb erzielen – und mit den neu eingeführten Techniken bleibt die FOC nun auch bei niedrigeren Drehzahlen effizient und wirksam, ohne dass Drehmomentwelligkeit auftritt. Weitere Informationen, wie Toshiba die FOC-basierte Motorsteuerung erheblich verbessert hat, finden sich in einem Whitepaper, das zum Download zur Verfügung steht.