Eine grundlegende elektronische Kommutierung für einen BLDC-Motors lässt sich folgendermaßen realisieren: Hall-Sensoren bestimmen die Position des Rotors. Mit den gesammelten Informationen kann dann eine Treiberschaltung aus MOSFETs die entsprechenden Spulen des Motors erregen, um den Rotor von seiner vorhandenen Position zum nächsten Drehbereich in der erforderlichen Richtung zu bewegen. Diese Art der Kommutierung ist trapezförmig und lässt sich einfach umsetzen. In Kombination mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) lässt sich sogar die Drehzahl vorgeben. Zusammen mit einem PID-Regler, der die Hall-Sensoren für ein Rückkopplungssignal verwendet, steht damit ein robuster BLDC-Motorcontroller bereit.

ECKDATEN

Viele aktuelle Anwendungen wie Drohnen oder E-Bikes sind mit bürstenlosen Gleichstrommotoren ausgestattet. Um diese jedoch effizient nutzen zu können, bedarf es einer aufwendigen und komplizierten Ansteuerschaltung – eine feldorientierte Lösung (FOC). Eine FOC benötigt einen programmierbaren Baustein, der die aufwendigen Berechnungen zuverlässig verarbeiten kann.

Ein solches grundlegendes Kommutierungsverfahren erzeugt bei Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) eine erhebliche Drehmomentwelligkeit, die auch zu einer deutlichen Geräuschentwicklung führt. Solche Motoren sollten Entwickler besser mit einem sinusförmigen Signal kommutieren. Selbst eine einfache sinusförmige Kommutierung erfordert eine programmierbare Steuerung wie etwa einen Mikrocontroller (MCU) oder ein FPGA. Mithilfe eines Sensors am Rotor, der die Positionsinformation bereitstellt, lassen sich MOSFETs über ein PWM-Signal ansteuern. Dabei kommt üblicherweise eine Zuordnungstabelle (Lookup-table) zum Einsatz, um ein Sinussignal am Ausgang des Controllers zu erzeugen. Um eine höhere Regelgenauigkeit zu erzielen, ist ein präziser und teurer Sensor wie ein Resolver oder ein optischer Encoder erforderlich. Die Drehmomentregelung wird jedoch bei höheren Drehzahlen weniger effizient.

Funktionsweise der FOC

Bild 1: Die trapezförmige Kommutierung ist zwar einfach zu realisieren, führt jedoch bei PMSM-Motoren zu einer Drehmomentwelligkeit – die sinusförmige Kommutierung minimiert die Effekte.

Bild 1: Die trapezförmige Kommutierung ist zwar einfach zu realisieren, führt jedoch bei PMSM-Motoren zu einer Drehmomentwelligkeit – die sinusförmige Kommutierung minimiert die Effekte. Toshiba

Die optimale Lösung in solchen Fällen ist die feldorientierte Regelung (FOC; Field Oriented Control). Dieses sinusförmige Kommutierungsverfahren beruht auch auf einer programmierbaren Steuerung, um die Statorströme zu berechnen, die erforderlich sind, um den Rotor basierend auf der Stromrückkopplung des Motors anzusteuern.

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der FOC

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der FOC. Toshiba

Das Verfahren wandelt die drei Statorströme in magnetische Flussdichte und Drehmoment erzeugende Teile. Zudem regelt es die Statorströme über einen PI-Regler und wandelt sie dann in drei Spannungswerte zurück, aus denen wiederum der PWM-Ausgang erstellt wird. Dieser ist dann auch für das sinusförmige Kommutierungssignal verantwortlich. FOC bietet bei hohen und niedrigen Drehzahlen eine leistungsstarke Drehmomentregelung, wodurch dieses Verfahren im Vergleich zu trapezförmigen oder sinusförmigen Alternativen die bevorzugte Kommutationsmethode ist. Den komplexeren Algorithmus müssen Entwickler jedoch zuerst verstehen.

Die hohe Komplexität der FOC erfordert einen programmierbaren Baustein, der die Vektormathematik der Clarke- und Park-Transformationen, die der FOC zugrunde liegt, effizient handhaben kann. Ein gängiger Mikrocontroller (MCU) bietet nicht den notwendigen Befehlssatz, um diese Berechnungen effizient durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann ein digitaler Signalprozessor (DSP) die Berechnungen effizient durchführen, jedoch fehlen dabei optimierte Anweisungen für die Peripherie-Steuerung. FPGA-basierte Lösungen sind ebenfalls erhältlich, sind aber möglicherweise nicht ausreichend programmierbar, wie es etwa eine MCU- oder DSP-Lösung wäre, um andere Aufgaben wie beispielsweise die Einbindung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle oder die Netzwerkanbindung des Systems ausführen zu können.

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